Tutkijat valjastivat bakteerit sokerilla ja proteiinilla käyviksi 3D-tulostimiksi

Äärimmäisen vettähylkivät eli superhydrofobiset pinnat torjuvat paitsi kosteutta myös likaa, pölyä ja erilaisia taudinaiheuttajia, kuten bakteereja.

Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat hyödyntäneet superhydrofobisia pintoja saadakseen Komagataeibacter medellinensis -bakteerit tekemään nanoselluloosasta räätälöityjä, kolmiulotteisia rakenteita.

”Meillä oli tavallaan käytössämme miljardeja pienenpieniä 3D-tulostimia. Oikeilla raaka-aineilla ja ohjeilla ne osaavat tehdä erinomaisia materiaaleja”, tohtorikoulutettava Luiz Greca sanoo.

Vaikka bakteerien valmistaman yksittäisen nanoselluloosakuidun paksuus on vain hiuksen halkaisijan tuhannesosa, kuitujen muodostama rakenne on sekä vahva että sitkeä. Aiemmat tutkimukset ovat myös osoittaneet, että nanoselluloosa on bioyhteensopiva eli se ei aiheuta haittaa elimistölle. Tutkijat uskovatkin, että bakteerien kasvattamia nanoselluloosarakenteita voidaan käyttää tukirakenteina uusille kudoksille tai elimille.

”On kiehtovaa, miten jykeviä materiaaleja bakteerit pystyvät tuottamaan. Tutkimme parhaillaan, voisiko nanoselluloosamateriaaleja hyödyntää esimerkiksi ikääntymisestä johtuvien kudosvaurioiden hoidossa”, tutkimusryhmää johtava professori Orlando Rojas kertoo.

Tutkimuksen tulokset julkaistiin juuri ACS Nano -tiedelehdessä.

Happea piikkimatolla

Tutkijat laittoivat vettähylkiviksi pinnoitetut silikonimuotit kasvatusmaljoihin, joissa oli bakteerien ravintonaan käyttämää, sokeria ja proteiineja sisältävää vesiliuosta.

Koska Komagataeibacter medellinensis on aerobinen eli happea tarvitseva bakteeri, se suuntaa normaalisti kasvatusmaljassa liuoksen pinnalle ja rakentaa siihen nanoselluloosakuiduista ohuen kalvon eräänlaiseksi suojakilveksi.

Vettähylkivät hiukkaset taas muodostavat muotin pintaan piikkimattoa muistuttavan rakenteen. Vesiliuos lepää piikkien kärkien varassa, ja piikkien väliin jää ilmaa, jota kohti bakteerit hakeutuvat kasvattamaan nanoselluloosakuitujaan. Tutkijat säätivät paineen avulla ilmakerroksen paksuutta ja ohjasivat näin bakteerit kasvattamaan nanoselluloosakuituja haluttuun suuntaan. Lopputuloksena oli kulloisenkin muotin mallinen, kolmiulotteinen nanoselluloosarakennelma.

Nanoselluloosarakennelmien koko vaihteli halkaisijaltaan hiuksen kymmenesosasta jopa 20 senttimetriin. Tutkijat saivat bakteerit rakentamaan muun muassa keuhkorakkuloita jäljitteleviä rakenteita. Menetelmä mahdollistaa paitsi kuitujen suunnan ohjaamisen myös pinnan paksuuden ja muodon säätämisen, mikä on äärimmäisen tärkeää, kun materiaalia halutaan käyttää tukirakenteina tiettyjen lihasten ja aivojen kudosten korjaamisessa.

“Toivomme, että tulokset rohkaisevat sekä bakteereja hylkivien pintojen kanssa työskenteleviä että bakteerien avulla materiaaleja valmistavia tutkijoita”, sanoo tutkijatohtori Blaise Tardy.

Julkaisu:

Greca, L. G., Rafiee, M., Karakoç, A., Lehtonen, J., Mattos, B. D., Tardy, B. L., & Rojas, O. J. (2020). Guiding Bacterial Activity for Biofabrication of Complex Materials via Controlled Wetting of Superhydrophobic Surfaces. ACS Nano. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03999