Лазерная биопечать: как устроена бесконтактная технология для работы с живыми клетками

Трехмерная печать и аддитивные технологии сегодня перестали быть чем-то необычным. С их помощью создают объемные объекты за счет послойного добавления материала. Хотя такие устройства не теряют своей востребованности, в этой сфере есть более новые, перспективные направления. Например, лазерная биопечать. Она отличается высокой точностью, скоростью, а также возможностью работать с отдельными живыми клетками. В чем особенности этой технологии? Как лазерное излучение помогает ученым исследовать микробы? 

Об этом и многом другом порталу Наука.РФ рассказал старший научный сотрудник Института фотонных технологий Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники (ИФТ КККиФ) НИЦ «Курчатовский институт», кандидат физико-математических наук Вячеслав Жигарьков.

Биофабрикация

Для начала разберемся с определениями. Самые распространенные типы 3D-печати — струйная и микроэкструзионная. Эти технологии посредством выдавливания биочернил через сопло позволяют переносить материалы в виде непрерывных струй или капель. С их помощью можно напечатать простые ткани, хрящи, кожу и много чего еще.

Другое дело — лазерная биопечать. Здесь биочернила переносятся уже за счет воздействия импульсного излучения. Выглядит это так: биоматериал в виде геля наносится на подложку с металлическим слоем. На этот слой направляют лазерный луч. Гель резко нагревается, в нем образуются пузырьки, «выталкивающие» биоматериал. Получаются микрокапли с живыми клетками, которые переносятся вниз, на подготовленную для них поверхность: покровные стекла, чашки Петри и лабораторные микропланшеты с питательными средами, поверхности электрочипов.

«Благодаря этому методу можно получать очень высокое разрешение перенесенных микрокапель, с гораздо более высокой скоростью печати. В отличие от других типов 3D-печати, здесь нет специального сопла, которое может засоряться», — рассказывает старший научный сотрудник ИФТ КККиФ Вячеслав Жигарьков.

Такой способ позволяет бесконтактно переносить биоматериал, сохраняя его структуру. Еще одно преимущество: для лазерной биопечати подходят «чернила» различной вязкости, в то время, как стандартные 3D-принтеры могут работать только с менее вязкими компонентами.

Сто микрокапель в секунду

Хотя лазерные технологии опережают другие методы биопечати по многим характеристикам, пока они недостаточно распространены. Это связано со сложностью производства и дорогостоящим оборудованием. Да и сама процедура, а именно то, как лазерное излучение влияет на микроорганизмы в процессе биопечати, мало изучено и создает широкое поле для исследований. Над такими проектами работают в Китае, США, Германии и России.

Одну из лидирующих позиций в этом направлении занимает научная группа Института фотонных технологий Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники. Ученые разработали технологию лазерной инженерии микробных систем (ЛИМС). С ее помощью можно проводить трехмерную печать живыми микробными объектами, переносить единичные клетки или клеточные агломераты.

Лазерная биопечать

«Ее особенность заключается в высокоскоростной (порядка 100 микрокапель в секунду) и высокоточной печати микрокаплями крайне малого варьируемого объема: от 10 пиколитров (1 пиколитр = 10^-12 литров) до 10 нанолитров! В качестве источника излучения применяется, например, импульсный лазер на волокне с длиной волны 1064 нанометров, с варьируемой длительностью и энергией в импульсе», — делится эксперт.

От почвы до дрожжей

Сегодня для научного коллектива сборка лазерного биопринтера — это лишь этап более масштабной задачи, к которому активно привлекаются студенты. А вот понять, как такое устройство, а именно лазерный перенос, влияет на функциональное состояние клеток — намного важнее. Чтобы это выяснить, сотрудники Института фотонных технологий совместно со специалистами из смежных областей провели серию экспериментов.

«Очень много мной было сделано с Владимиром Чепцовым, научным сотрудником факультета почвоведения МГУ. Мы переносили как частицы почв, так и смешанные культуры клеток, изучали их ферментативную активность. В Институте микробиологии имени С. Н. Виноградского РАН переносили широкий спектр проб, содержащих экстремофильные микроорганизмы», — говорит ученый.

Интересное открытие ученым удалось сделать во время работы с Институтом биохимии А. Н. Баха ФИЦ Биотехнологии РАН. В качестве объекта исследования выбрали клетки пекарских дрожжей Saccharomyces Cerevisiae. Выяснилось, что в процессе лазерной биопечати их мембраны становятся проницаемыми. Но этот эффект оказался временным — после переноса в питательную среду полости в мембранах исчезают. Такое свойство в будущем может пригодиться для генетического редактирования: например, в образовавшиеся области можно внедрять молекулы ДНК, наделяя клетки нужными качествами.

Сейчас это исследование продолжается: специалисты изучают, как изменяется проницаемость мембран дрожжевых клеток в процессе лазерного переноса, а также его влияние на клеточный метаболизм почвенных бактерий и микроводорослей.

Культивировать некультивируемое

В то время как ученые продолжают исследовать клеточные изменения при лазерном переносе, в ходе экспериментов им удалось выявить еще одну интересную особенность. Оказалось, что с помощью лазерной биопечати можно выделять бактерии, которые ранее не культивировались стандартными микробиологическими методами.

Например, совместно со специалистами Кафедры биологии почв МГУ авторы проекта смогли выделить из сложного природного консорциума штамм редкого рода Nonomurea, не используя при этом особые селективные среды. В процессе другого исследования, из материала, отобранного из термального источника на Чукотке, разделили устойчивую бинарную культуру и выделили микроорганизм нового класса — Tepidiforma bonchosmolovskayae. Исследование проводилось при участии Института микробиологии им. С. Н. Виноградского.

Эти примеры показывают, как можно решить проблему в области молекулярной генетики: подавляющее число прокариот (одноклеточных организмов, не обладающих оформленными внутренними мембранными органеллами) невозможно культивировать в лабораторных условиях. В том числе потому, что в лаборатории нельзя полностью воспроизвести природные условия.

«Найти решение пытаются разными способами. Мы же предлагаем набор инструментов, которые позволяют развить идею изоляции путем прецизионного (с высокой точностью) переноса крайне малых объемов вещества. Речь идет о единичных клетках в гелевых микрокаплях. Вполне вероятно, что благодаря высокому разрешению и большой скорости печати получится выделить чистые культуры и отобрать полезные штаммы», — объясняет Вячеслав Жигарьков.

От медицины до сельского хозяйства

Этим летом проект под руководством Вячеслава Жигарькова получил новый виток развития и был поддержан Российским научным фондом (заявка № 25-79-10125). В работе, наряду с сотрудниками ИФТ, примут участие специалисты факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова и Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН.

Практическое применение технологии лазерной инженерии, разработанной учеными, довольно широкое. С ее помощью можно решать актуальные задачи в области биотехнологии. В том числе, разрабатывать тканеинженерные конструкции, выделять труднокультивируемые микроорганизмы, разделяя устойчивых симбионтов, и получать на их основе продуценты биологически активных веществ.

Технология может найти применение и в сфере сельского хозяйства. Например, после выделения почвенных бактерий и их ферментов можно создавать биодобавки, повышающие устойчивость растений к вредителям и болезням, а также улучшающие качества выращиваемых культур. Также можно получить новые биопродукты, необходимые для поддержания плодородия почв.

Особый интерес для участников проекта представляет вопрос, как под действием лазерной биопечати меняются свойства микроводорослей. Вероятно, что разработки в этой области помогут получать продукты, полезные в сельском хозяйстве и фармацевтике.

Масштабирование инноваций

Масштабировать технологию лазерной биопечати пока сложно. Текущие эксперименты показывают, что при лазерном переносе клетки ведут себя по-разному. Чтобы наладить процесс и печатать их по единому стандарту, ученые разрабатывают алгоритмы управления лазерной системой и отрабатывают методики проведения лазерной биопечати в разных условиях, позволяющие понять, как излучение влияет на клетки.

«Важно обеспечить стерильность, создать подходящие условия для переноса. Это необходимо для работы с широким спектром микробных клеток, взятых из различных природных сред. Для этого мы разработали оригинальный встраиваемый герметичный бокс. Кроме того, мы пробуем использовать другие лазерные источники и собираем новые системы ЛИМС, например, на основе микрочип-лазеров», — отмечает эксперт.

Успех печати, по словам ученого, зависит от многих факторов: подготовка биологических образцов, донорных покрытий, геля, в который будут добавляться клетки, подбора подходящих параметров лазерного излучения, внешние условия.

Чтобы довести технологии лазерной биопечати до массового применения, предстоит провести еще много исследований. Тем не менее авторы проекта уже изучают вопрос, связанный, в том числе, с разработкой автономных мобильных лазерных систем для биопечати. Так что, возможно, в ближайшем будущем решить проблему масштабирования технологий в этой области все же удастся.

Анна Шиховец