微生物活體操縱與可控裝配新方法的構建及其套用

《微生物活體操縱與可控裝配新方法的構建及其套用》是依託華中科技大學，由楊光擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微生物活體操縱與可控裝配新方法的構建及其套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊光
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

自然界中微生物種類極為豐富，尺寸涵蓋了納米級與微米級，是可用於納米、微米以及多層次跨尺度加工的天然基本單元和底盤細胞。本項目立足於構建用於定位操縱和可控裝配微生物活體細胞工廠的新方法，重點開拓和發展微流控和(或)微生物列印技術該兩項新技術。以釀酒酵母和大腸桿菌為模式菌種，木醋桿菌和肝素黃桿菌為功能菌種，誘發其特有的生物學功能，通過微生物微納米機器人進行受控自組裝，研究影響微生物的運動行為的調控因素，揭示微生物定位調控原理和多層次精細結構的形成機制。通過該方法可以設計特定的個性化微環境，探尋微生物的個體生長、代謝與行為模式。還可通過對微生物培養基的設計和列印，實現對大規模發酵過程的培養基最佳化，將傳統的正交實驗分析、回響面實驗分析手段晶片化。此外，通過多層次組裝，可設計和構築複雜體系的微生物群落，為微生物反應器的設計、大規模生物煉製的調控提供理論依據和技術支撐。

結題摘要

以微生物為“基本單元”和“底盤細胞”，在納米、微米以及多層次跨尺度上進行加工是微生物研究領域的重要前沿，在微生物反應器的設計、大規模生物煉製等方面具有重要意義。本項目基於微生物的生物製造的目的，以釀酒酵母和大腸桿菌為模式微生物，木醋桿菌和肝素黃桿菌為功能菌種，利用微生物的特異結構和多樣功能進行仿生和調控，操縱微生物進行加工組裝，建立了用於微生物定位操縱和可控裝配的微流控技術和噴墨生物列印技術，初步實現了對微生物進行多層次不同尺度的調控。圍繞項目研究目標，首先在圖案化生物晶片的構建方面，通過光刻結合化學刻蝕的方法製備了不同尺寸的精細微米級有序圖案化結構，以及雙層嵌套式格線及條紋圖案，用於調控微生物的有序分布及運動；其次在微生物可控模型的構建方面，通過外加磁場信號實現對磁性礦化的微生物運動的智慧型控制，以及通過程式化光信號實現對工程菌運動的程式化智慧型控制，分別建立了磁控和光控微生物運動的方法，並在納米尺度上實現了次級代謝產物（如細菌纖維素）的可控有序排列；第三，構建了不同圖案化的纖維素並將其套用於多種組織工程材料，包括腸組織工程材料、人工椎間盤生物材料及人工血管生物材料；最後在生物列印方面，基於高分子模板可控制備工藝，開發並搭建出基於氣動原理的微滴噴射成形系統，並將氣動噴頭與電機助推式噴頭組合，設計了組合式多噴頭3D列印系統，經過不斷最佳化並對列印環境進行無菌化控制，將其套用於高分子多孔支架與精細高分子基多孔膜板列印，以及多孔支架和微生物的混合列印。本項目圍繞對微生物進行精確的定向運動誘導以及定位有序排列的核心問題進行了較深入的探索，初步實現了對微生物活體的操作與可調控的裝配，並套用於構建組織工程材料，為進一步的套用開發奠定了基礎。