作為生物催化劑，微生物可以通過全細胞催化或多細胞協作，進行能量收集、傳感、修復和驅動等，具有效率高、條件溫和、選擇性高等特點。傳統的微生物細胞間協作方法，由于細胞間生長速度的不同，易導致微生物此消彼長、效率受損。近日，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室開發了一種控制微生物時空布局的新策略，該策略通過制備新型的超分子水凝膠材料作為載體，利用3D打印的方式將微生物與其進行融合，實現了對微生物細胞的空間控制，最大化提高生物過程效率，相關成果發表在Small雜志上。
“自然界的微生物菌群往往通過互相協作共生，利用這一特點，我們可以開發人工多細胞體系進行生物制造。但是，在實驗室的實際情況中，如果僅僅將這兩種微生物生硬地放在一起，它們會‘互掐’，造成此消彼長。為了防止這種情況，我們就想能不能給它們建一座‘房子’，讓它們‘安分’地待在自己的‘房間’，還能相互協作完成工作？”項目負責人余子夷教授介紹，課題組想到了3D打印的方法，“3D打印可以將它們安放在固定的位置，同時3D打印還能擴大接觸的比表面積，提升生物催化反應效率?！?/span>
為了生成可打印的基質，團隊開發了一種新型的超分子水凝膠材料，這種材料由功能化的透明質酸和葫蘆脲為主體構成。超分子水凝膠材料不僅適合于微生物固定和生長，而且還可以用作生物墨水進行3D打印。“這類水凝膠很類似于我們日常生活中的牙膏，微生物待在特殊的‘牙膏’里面，3D打印裝備可以把‘牙膏’擠出來形成預先設計好的結構，用于制備細胞分布均勻和可定位的3D結構，該結構具有很高的維持性和菌株的固定性?！毖芯勘砻?，3D晶格中的微生物可以在發酵和生物修復過程中保持較高的細胞活力和代謝活性。
據悉，該活體材料的催化效率與使用單一微生物、單純混合二者相比，分別提高了80%和50%。此項技術總體進展處于與國際先進水平“并跑”狀態，該研究不僅可以用于強化微生物的生物催化能力，還可以應用于菌-藻共生體系吸收二氧化碳提高微生物的固碳水平，為采用綠色生物制造實現碳中和提供了一個可選擇的技術途徑。
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