유전자 조작 박테리아를 이용한 살아있는 문신:새로운 바이오 프린팅 혁신

• 연구원들은 피부 세포와 접촉하면 빛나는 세포 민감성 얇은 문신을 만듭니다. 
• 문신 잉크는 세포를 살아있게 유지하기 위해 하이드로겔과 영양분의 혼합물로 만들어졌습니다.
• 잉크는 약 30마이크로미터의 고해상도로 인쇄할 수 있습니다.
• 3D 프린팅된 살아있는 문신에는 압축, 늘어나기, 비틀림을 견딜 수 있는 3가지 센서가 있습니다.

MIT 연구진이 유전적으로 프로그래밍된 살아있는 세포로 만들어진 특별한 종류의 잉크를 사용하는 새로운 방법을 발견했습니다. 그들은 임시 문신을 고안했는데 그 프로토타입은 나무 모양 패턴이 있는 얇고 투명한 접착식 패치처럼 보입니다.

이는 다른 화합물에 민감한 세포인 여러 섹션으로 나뉩니다. 이 문신이 피부에 닿으면 특정 화합물(사람의 피부에 존재)에 노출되어 이에 반응하여 나무의 해당 부분이 빛나게 됩니다.

이런 일이 일어나는 이유는 세포가 다양한 종류의 자극에 반응하여 빛을 발하도록 설계되었기 때문입니다. 영양분과 수소의 슬러리와 결합하면 세포는 3D 대화형 구조를 형성하기 위해 층별로 인쇄될 수 있습니다.

동일분야의 이전 연구

자극 반응 소재는 새로운 것이 아닙니다. 연구 개발이 10년 이상 진행되어 왔습니다. 예를 들어, 화학 물질에 잘 반응하는 소재를 사용하여 화학 센서를 만들거나, 고온에 반응하는 소재를 사용하여 자가 조립 로봇을 개발할 수 있습니다.

3D 프린팅은 이제 널리 접근 가능하고 훨씬 저렴한 가격으로 이용 가능해졌기 때문에 자극 반응 물질을 비롯한 실험 물체를 개발하는 일반적인 방법이 되었습니다.

그러나 이번에 연구자들은 3D 프린팅된 반응성 물질에서 프로그래밍하고 얻을 수 있는 살아있는 세포를 사용하는 방법을 깨달았습니다. 지금까지 수행된 연구에 따르면 적어도 포유류 세포에서는 이것이 가능하지 않을 것입니다. 가교 중 자외선 노출, 압출 중 전단력 등 가혹한 3D 프린팅 조건에서는 작동할 수 없습니다. 포유류 세포는 지질 이중층 풍선이므로 인쇄 과정에서 세포가 죽습니다.

반면, 보호 세포벽을 가진 박테리아 세포는 훨씬 더 강합니다. 이 제품은 대부분의 하이드로겔(폴리머와 물로 만들어진 소재)과 호환되며 광범위한 의료 응용 분야에 사용됩니다.

새로운 생활 반응형 잉크

MIT 연구원들은 대화형 디스플레이와 웨어러블 센서를 위한 '활성' 재료를 제작하기 위해 새로운 기술을 사용합니다. 실제로 이러한 물질은 살아있는 세포와 결합되어 환경 화학 물질과 오염 물질은 물론 온도와 pH의 약간의 변화도 감지할 수 있습니다.

연구팀은 유전적으로 프로그래밍된 박테리아 세포를 사용하여 하이드로겔과 영양분의 혼합물로 만들어진 잉크를 만들어 세포를 살아있게 했습니다.

보다 구체적으로, 그들은 녹색 형광 단백질(GFP)을 생성하거나 하이드로겔 전체에 자유롭게 확산되는 4가지 신호 화학 물질에 반응하여 화학 물질을 분비할 수 있는 다양한 박테리아 세포를 설계했습니다. 순수 플루로닉 F127 디아크릴레이트 미셀을 함유한 바이오 잉크는 인쇄 후 자외선 가교에 의해 안정화되는 포장 상태로 회복됩니다.

참조: 고급 재료 | 10.1002/adma.201704821 | MIT 뉴스를 통해 

또한 그들은 다양한 조건에서 3D 프린팅 구조 내의 세포 간 상호 작용을 예측하는 모델을 구축했습니다. 이 모델은 다른 과학자들이 반응형 생명체를 만들기 위한 지침으로 사용할 수 있습니다.

그들이 개발한 잉크는 약 0.03밀리미터 또는 30마이크로미터의 고해상도로 인쇄할 수 있습니다. 분석물질과 센서의 피라미드형 연결도 쉽게 달성됩니다. 다중 잉크 3D 프린팅을 사용하면 GFP 형광을 출력으로 사용하여 여러 논리 게이트를 구성할 수 있습니다. 그들은 이미 테스트 패턴을 엘라스토머에 인쇄하여 화학 물질이 묻은 피부에 붙였습니다.

시공간적으로 제어되는 패터닝은 하이드로겔의 잘 정의된 공간 분포, 신호 분자 확산의 시간 의존성 및 GFP 생성으로 인해 달성됩니다.

N-아실 호모세린 락톤에 반응하는 박테리아로 구성된 젤은 복잡한 패턴으로 인쇄될 수 있습니다. N-아실 호모세린 락톤 함유 젤에 연결하면 박테리아의 GFP 생성이 유도되어 밤새 센서 전체에 흩어집니다.  

이 방법론을 사용하여 개발된 3D 프린팅된 살아있는 문신은 압축, 스트레칭 및 비틀림을 견딜 수 있는 3가지 센서를 갖추고 있습니다. 분석물질을 적용하면 각 센서 영역에서만 정확한 국부적 반응이 발생합니다.  

몇 시간 동안 박테리아가 화학적 자극과 직접 접촉하면서 문신에 있는 나무 패턴의 여러 부분에 불이 들어왔습니다. 박테리아 세포는 서로 통신할 수도 있으며 다른 세포로부터 특정 신호를 받으면 형광을 발할 수도 있습니다.

연구원들은 두 개의 하이드로겔 필라멘트 인쇄 시트를 겹쳐서 3D 구조에서 테스트했습니다. 서로 접촉하고 특정 통신 신호를 받으면 불이 켜졌습니다.

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다음은 무엇인가요?

가까운 미래에 연구자들은 마이크로칩의 트랜지스터처럼 신호를 앞뒤로 전달할 수 있는 여러 종류의 세포가 포함된 살아있는 웨어러블 컴퓨팅 플랫폼과 구조를 인쇄할 수 있을 것으로 기대합니다.

그들은 시간이 지남에 따라 약물을 체내로 전달하도록 프로그래밍할 수 있는 약물 전달 시스템과 화학 센서를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.