#NEWS 微型工廠────應用於 3D 列印技術的微生物水凝膠

隨著製造技術進步而促進 3D 列印的發展，結合組織工程而發展出的生物列印技術（bioprinting）也應運而生。近年來開始有科學家將此技術與細菌等生物體結合，賦予和傳統合成材料相比截然不同的功能，即工程活體材料（engineered living material），為了達到此一目的，如何設計有效且可包含生物體的生物墨水（bioink）便非常重要。

在過往的研究中，有科學家使用釀酒酵母（S. cerevisiae）[1]、枯草桿菌（B. subtilis） [2] 等微生物來製備，但在這些材料中往往存在機械性質的不確定性，而且在包覆材料缺乏的情況下會讓製造過程難以進行。為了克服此一問題，來自美國東北大學的 Neel S. Joshi 教授團隊便以大腸桿菌（E.coli）產生的一種類澱粉蛋白纖維──curli fiber 為基礎，開發可完全由微生物製造的生物材料 [3]，其分子連接方式則是受到血栓（blood clot）中的纖維蛋白（fibrin）啟發 （見圖一）。

在血栓形成過程中，纖維蛋白的聚合反應是透過單體間的非共價交互作用（noncovalent interactions）來進行，例如 α 鏈（alpha-chain） 及 γ 鏈（gamma-chain） 上的蛋白質域（domain）的交互作用。有鑑於此，在此研究中使用的 CsgA 蛋白質單體也是使用類似的原理，將表現出不同蛋白單體的 E.coli 共培養，使其分泌出的蛋白質單體進行非共價鍵結，並自組裝（self-assembly）成具有剪切稀化（shear-thinning）特性、可抵抗外部環境降解（例如蛋白水解、熱等因素）的水凝膠。

在成功經由微生物製備出生物材料後，研究團隊便將其他具不同功能的 E. coli 菌株封裝在材料中並賦予其特性，在此研究中共展示了三種功能，分別為治療性物質釋放、有害物質封存及調節細胞生長（見圖二）。

1. 治療性物質釋放（PQN4-Azu 菌株）

利用誘導物質 IPTG （isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside）使 E.coli  菌株表現抗癌蛋白質──天青蛋白（azurin），並釋放到細胞外環境中。

2. 有害物質封存（PQN4-BPA 菌株）

此設計以環境賀爾蒙雙酚A （bisphenol A, BPA）的封存為目的，在 CsgA 蛋白序列上加上可與 BPA 結合的胜肽，讓 E.coli 菌株表達並置於材料中。將其與 BPA 共培養 24 小時後，可封存培養基中 27% 的 BPA。

3. 調節細胞生長（PQN4-MazF 菌株）

考量基因工程的生物安全性（biosafety），此設計透過在材料中置入可表達核醣核酸內切酶（endoribonuclease） MazF 的 E.coli 菌株，透過 IPTG 的誘導使 MazF 表現，進行細菌群落的生長調節，使細菌生長能力降低或死亡。

在此研究中，科學家成功利用微生物製造出以蛋白質為基礎的水凝膠，無需外源材料輔助即達到一定的機械強度，且具有結構化的特性，並可用於 3D 列印。在功能設計上則可置放經由基因工程技術改造而有不同功能的微生物，來達到修改材料特性的目的，未來有望規模化用於建築材料設計上，更可用於材料稀缺、運輸困難的地方，可為人類在太空探索上提供一定的助力。

參考文獻：

1. Qian, F., Zhu, C., Knipe, J. M., Ruelas, S., Stolaroff, J. K., DeOtte, J. R., Duoss, E. B., Spadaccini, C. M., Henard, C. A., Guarnieri, M. T., & Baker, S. E. (2019). Direct Writing of Tunable Living Inks for Bioprocess Intensification. Nano Letters, 19(9), 5829–5835. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b00066
2. Huang, J., Liu, S., Zhang, C., Wang, X., Pu, J., Ba, F., Xue, S., Ye, H., Zhao, T., Li, K., Wang, Y., Zhang, J., Wang, L., Fan, C., Lu, T. K., & Zhong, C. (2018). Programmable and printable Bacillus subtilis biofilms as engineered living materials. Nature Chemical Biology, 15(1), 34–41. https://doi.org/10.1038/s41589-018-0169-2
3. Duraj-Thatte, A. M., Manjula-Basavanna, A., Rutledge, J., Xia, J., Hassan, S., Sourlis, A., Rubio, A. G., Lesha, A., Zenkl, M., Kan, A., Weitz, D. A., Zhang, Y. S., & Joshi, N. S. (2021). Programmable microbial ink for 3D printing of living materials produced from genetically engineered protein nanofibers. Nature Communications, 12(1). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26791-x

撰文｜梁文
審稿｜黃云宣、陳品萱