Un nuovo metodo di stampa 3D di microbi mangiatori di elettroni in biofilm

I MICROBI MANGIATORI DI ELETTRONI STAMPATI IN 3D LLNL ACCELERANO LA SOLUZIONE ENERGETICA SOSTENIBILE

I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno ideato un nuovo metodo di stampa 3D di microbi “ mangiatori di elettroni ” in biofilm che potrebbe rappresentare una nuova generazione di biocarburanti eco-compatibili.

La tecnica del team prevede l’alimentazione di una resina carica di batteri in una stampante 3D SLA personalizzata per creare comunità microbiche simili a quelle che si trovano nel mondo naturale. Usando il loro processo per modificare i comportamenti delle cellule elettrografiche, gli scienziati ritengono che sia possibile sviluppare un biosistema in grado di trasformare l’elettricità sprecata in energia rinnovabile.

“Lo sviluppo di questi biomateriali efficaci con funzioni microbiche potenziate ha importanti implicazioni per molte bio-applicazioni”, ha affermato Yongqin Jiao, uno dei coautori dello studio. “La nuova piattaforma di bioprinting non solo migliora le prestazioni e la scalabilità del sistema, ma mantiene la vitalità cellulare e consente la conservazione a lungo termine”.

Potenziale conduttivo dei biofilm

In sostanza, il termine “biofilm” descrive qualsiasi comunità microbica complessa che è stata fusa in una plastica per creare un composto polimerico-proteico. Questi materiali hanno un potenziale reale come sostituto sostenibile a basso costo per i termoplastici sintetici, ma il loro utilizzo per produrre strutture a base di batteri si è dimostrato in precedenza difficile.

Una volta cresciuti in biofilm, i microbi possono esibire comportamenti diversi come una maggiore resistenza cellulare o conduttività elettrica, ma ancora una volta, i metodi di laboratorio consentono un controllo minimo sulle loro prestazioni. Utilizzando una stampante 3D, d’altra parte, è ora possibile coltivare e manipolare i microbi in componenti migliorati biologicamente.

Come bonus aggiuntivo, imballare densamente le cellule in uno spazio ristretto in questo modo fornisce loro una maggiore nutrizione, che porta ad una maggiore attività biocatalitica. Sfruttando questo meccanismo, gli scienziati hanno iniziato a prendere le biostrutture dalle micro-applicazioni nella macrosfera e dall’uso biomedico alla conversione dell’energia.

Il processo “SLAM” del team LLNL

Per fabbricare le loro strutture batteriche, il team LLNL ha creato una nuova tecnica di bioprinting, che hanno soprannominato “SLA microbico” o “SLAM”. In effetti, l’approccio degli scienziati prevedeva l’utilizzo di una stampante 3D personalizzata con un proiettore LED a lunghezza d’onda di 405 nm, per polimerizzare una bio-resina infusa di cellule in un idrogel, “intrappolando” i batteri all’interno.

Durante i test, i ricercatori hanno scoperto di essere in grado di fabbricare strutture con spessori di strato fino a 10 μm, simili a quelli visti in studi precedenti. Tuttavia, a differenza dei processi di laboratorio convenzionali, l’approccio SLAM del team ha permesso loro di modulare le proprietà del materiale modificando il peso della sua base polimerica.

Per valutare il potenziale di SLAM nel trasformare i rifiuti elettronici, o Rare Earth Elements (REE), come vengono spesso descritti, in energia, gli scienziati hanno progettato una nuova resina. Il materiale unico è stato caricato con i batteri assorbenti Caulobacter crescentus e stampato in 3D in geometrie a forma di griglia e cubo con un volume di 500 μL.

Sebbene la struttura della griglia funzionasse più rapidamente del cubo, entrambi erano in grado di assorbire la stessa quantità di REE e potevano essere riutilizzati in seguito, rendendoli ideali per la raccolta di energia ecologica. Successivamente, il team LLNL è stato persino in grado di stampare in 3D la propria resina in un biosensore di uranio, dimostrando i comportamenti dei biomateriali che è possibile ottenere utilizzando la loro tecnica SLAM.

“Stiamo solo iniziando a capire come la struttura governa il comportamento microbico”, ha concluso la coautrice dello studio Monica Moya. “La manipolazione dei microbi ha una gamma di applicazioni tra cui la produzione biologica, la bonifica, il rilevamento biologico, il rilevamento e persino lo sviluppo di materiali viventi ingegnerizzati”.

Stampa 3D di biocarburanti ecologici

Mentre la corsa per evitare l’impatto del riscaldamento globale è in aumento, gli scienziati si rivolgono sempre più alla stampa 3D come mezzo per sviluppare fonti di energia più sostenibili.

Un gruppo di scienziati guidati dall’Università RMIT , ad esempio, ha sviluppato un metodo a basso costo per convertire i rifiuti agricoli in biocarburanti . Il team intende ridimensionare il proprio processo, basato su un nuovo bio-catalizzatore, adottando tecnologie di stampa 3D.

I ricercatori dell’Istituto spagnolo della Catalogna per la ricerca energetica e dell’Istituto catalano per la ricerca e gli studi avanzati hanno adottato un approccio diverso e le celle a combustibile ecologiche stampate in 3D . I dispositivi in ​​ceramica, che presentano una maggiore capacità di accumulo, potrebbero essere utilizzati come mezzo per accumulare energia in modo sostenibile.

Su scala molto più ampia, il produttore polacco di stampanti 3D Omni3D ha collaborato con la Cyprus University of Technology nel tentativo di stampare in 3D un reattore a biocarburanti . Nel complesso, i ricercatori mirano a sviluppare un metodo per trasformare l’anidride carbonica in biometano o etanolo, che potrebbe quindi essere utilizzato come combustibili alternativi.

I risultati dei ricercatori sono descritti in dettaglio nel loro documento intitolato “ Projection Microstereolithographic Microbial Bioprinting for Engineered Biofilm . “La ricerca è stata scritta in collaborazione con Karen Dubbin, Ziye Dong, Dan M. Park, Javier Alvarado, Jimmy Su, Elisa Wasson, Claire Robertson, Julie Jackson, Arpita Bose, Monica L. Moya, Yongqin Jiao e William F. Hynes .

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