3D打印玩出新花样：以活细胞为原料打印出生物催化器

美国劳伦斯•利弗摩尔国家实验室（LLNL）的研究人员近期在美国化学会（ACS）旗下的Nano Letters 上发表了一篇研究论文，通过3D打印将活细胞组装成生物催化器，高效率地催化葡萄糖转变为乙醇与二氧化碳。该论文入选ACS Editors' Choice，预示着一种生物技术与催化领域的变革趋势。

3D生物打印早已不是一个新鲜词汇，2016年由乔纳森•诺兰导演的美剧《西部世界》就描绘了一个由3D打印的生化人作为服务员的“主题乐园”。在现实世界中，3D生物打印虽然还不能“打印活人”，但已经能够将生物相容性材料、活细胞、支撑材料等组装成预定的空间结构，并被成功应用于构建具有活性的人类器官、组织。全球目前大约有92项正在进行的涉及3D生物打印的临床试验 ^[1]，该技术在解决器官移植中的供体缺乏、免疫反应等问题上被寄予厚望。

美剧《西部世界》中3D生物打印出的生化人。图片源自于网络

不过，在看见3D打印出来的组织、器官被装进人体之前，我们更有可能看见该技术在生物工程领域大放异彩。在工业上，微生物能够将低价值的碳源转化为高价值的终产物，在食品工业、生物燃料、水处理等领域被广泛应用。与催化领域传统的无机催化剂相比，基于微生物催化往往条件温和且再生性强，成本低廉，同时又具有良好的催化特异性。

该项研究中，LLNL的研究团队将冻干的活酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae（一种常见的酵母）与纳米纤维素（nanocellulose）、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDA）、苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐（LAP）一同构成打印“油墨”，再3D打印成多孔的3D结构。其中PEGDA作为粘结剂（binder），LAP是一种光抑制剂，能够防止使用过程中紫外线对酵母细胞的杀伤。这些打印“油墨”被输出为具有自支撑能力的厚度为100 μm的纤维，然后再组装成具有独特几何特征的多孔空间结构。打印出的材料中，酵母细胞的装载量高达42.8 wt %（75 vol %），在现有的活细胞打印技术中已经是极高的装载量。在此装载量下，作者发现细胞对打印“油墨”的流变学性质产生了实质性影响，并且细胞“油墨”具有挤压式3D打印所需的剪切稀化行为。通过使用纳米纤维素作为二次剪切稀化填料，该打印技术能够将细胞密度和细胞间距调节至单细胞水平。

3D生物打印酵母细胞构成生物催化器的示意图。图片来源：Nano Lett.

研究者发现，将3D打印出的材料放置于反应溶液，并加入反应原料葡萄糖后，材料的表面很快产生了气泡。这是由于该材料高效地将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳，类似于酵母制造啤酒的反应。与传统的发酵工艺相比，该催化剂能够使乙醇产量增加数倍，这是由于具有细丝和大孔的印刷网格能够有助于实现反应底物的快速传质。

该材料与葡萄糖接触后，产生气泡（CO₂）。图片来源：Nano Lett.

该方法能够实现较大规模的打印，研究人员已经能够打印出面积为225 cm²的催化材料，并发现其中酵母细胞分布均匀、细胞活力良好。向在未消毒灭菌的环境中贮存了4个月的该材料中加入葡萄糖，依然能够迅速反应产生大量气泡，说明打印使用的聚合物能够较好地保护酵母细胞不被细菌污染，也证明其具有较好的贮存稳定性。

大规模3D打印出的生物催化器。图片来源：Nano Lett.

贮存四个月后，加入葡萄糖能够立刻产生大量气泡。图片来源：Nano Lett.

作为首个3D打印的固定化活细胞催化器，该方法在连续的转化过程和简化产品纯化方面具有明显优势，它将有望使乙醇的生产更快、更便宜、更清洁。更重要的是，随着生物打印“油墨”的不断发展，以及基因工程微生物的不断涌现，该方法也可以用来大规模、简便地生产高价值的药品、化学品、食品和生物燃料，在相关工业领域掀起一次生产力提升的变革。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Direct Writing of Tunable Living Inks for Bioprocess Intensification

Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00066

参考文献：

1. Witowski J, Sitkowski M, Zuzak T, Coles-Black J, Chuen J, Major P, Pdziwiatr M. From ideas to long-term studies: 3D printing clinical trials review. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 2018, 13, 1473-1478.

https://link.springer.com/article/10.1007/s11548-018-1793-8

（本文由BingzzZ供稿）