健康に良い3Dプリント「生きた」インクが登場、合成生物学のための新しいツールキット

3D プリントの技術的コンセプトは、どこからともなく現れて以来、人気を博しています。現在では、科学研究の分野で広く注目を集めているだけでなく、産業分野でも形になり始めています。 3D プリンティングは、自動車、航空宇宙、軍事などの製造業、医療、文化創造、教育などの多くの業界ですでに多くの具体的な用途があります。成形材料は基本的に金属または非金属であり、主に粉末、線材、液体の形状をしています。

3Dプリンティング技術と市場が成熟するにつれて、コンピュータグラフィックス、ロボット工学、生命科学、材料科学などの分野との交差がますます広範囲になり、学際的な統合の程度が徐々に深まり、3Dプリンティングにさらに豊かな可能性と幅広い発展の見通しがもたらされます。 3D バイオプリンティングは、材料を層ごとに積み重ねて最終的に製品を形成する 3D プリンティングの付加製造プロセスから進化しました。正確に制御できる、同様の組織の複雑さを持つ 3D 組織構造を生成できます。

この技術の鍵は印刷材料にあり、材料に対する 3D 印刷の高い要件も継承しています。 3D バイオプリンティングで使用される材料には、もはや過去の金属や非金属ではなく、生きた細胞や生物学的材料が含まれており、一般に「バイオインク」と呼ばれています。

印刷材料としてのバイオインクは、まず体内の細胞外マトリックスに似た良好な生物学的活性を備えていなければなりません。そうすることで、印刷後に細胞がさらに発達し、細胞間の接続を確立できるようになります。第二に、印刷時の成形性と流動性が良好であること、印刷後に速やかに固化できることが求められます。

現在、微生物工学を利用してさまざまな用途の材料を製造する技術はある程度進歩していますが、任意のパターンや形状で三次元構造を構築することは常に大きな課題となっています。

最近、ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学・応用科学学部、ワイス生物学触発工学研究所、医学部、工学部、ノースイースタン大学化学・化学生物学部の学生がバイオインクに関する研究を完了しました。彼らの研究は、高度なナノバイオテクノロジーと活性材料技術を組み合わせ、3Dバイオプリンティング技術を使用して機能的な「生物」を生産するための新たな空間を開拓します。この研究はネイチャー誌の子会社であるネイチャー・コミュニケーションズにも掲載された。

微生物の遺伝子プログラミング能力を活用する

生きた細胞は分子成分を合成し、ナノスケールで正確に組み立てる能力があり、適切な環境条件下でマクロ的な生きた機能構造を構築します。

ハーバード大学のアンナとアビナッシュは研究チームを率いて「微生物インク」と呼ぶ印刷材料を開発した。

これは完全に遺伝子組み換え微生物細胞で作られており、タンパク質モノマーがボトムアップの階層的な方法でナノファイバーに自己組織化されるようにプログラムされており、さらに押し出し可能なハイドロゲルを含むナノファイバーネットワークを形成します。研究者らは、遺伝子組み換え大腸菌（E. coli）細胞とナノファイバーを微生物インクに埋め込むことで、機能性生体材料の3D印刷技術をさらに実証しました。この技術は、合理的に設計された遺伝物質による化学誘導を通じて、毒性部分を効果的に分離し、生物学的因子を放出し、自身の細胞の成長を調節することができます。

実際、組織工学の分野では、3D バイオプリンティングは哺乳類細胞を印刷するための比較的成熟した技術であり、最近ではバイオテクノロジーやバイオメディカルの分野で必要な微生物細胞の印刷に使用されています。しかし、押し出しベースのバイオプリンティング技術と比較すると、インクジェット印刷、コンタクト印刷、スクリーン印刷、リソグラフィー印刷など、現在検討されている技術は、互換性と費用対効果の点でやや不十分です。そのため、この概念に基づいて多くの研究方法と道筋があり、多くの種類のバイオインクが研究されてきました。

しかし、これまでのところ、微生物の遺伝子プログラミング能力を最大限に活用してバイオインクの機械的特性を合理的に制御した人は誰もいません。

研究者たちは、さまざまな理由から、このアイデアが持続可能な製造方法の進歩、資源の乏しい環境（不毛の地や異星など）での原材料の生産、生体模倣設計と遺伝子工学の精度による材料の性能向上に役立つと考えています。これが、アンナとアビナッシュがこの研究プロジェクトを実行した当初の意図です。

彼らの最終目標に対するビジョンは3つの段階に分かれています。 1 つ目は、印刷忠実度の高い押し出し可能なバイオインクを設計することです。次に、このバイオインクを「ボトムアップ」アプローチを通じて完全に人工微生物から生産します。そして最後に、3Dプリント生体構造の高度な機能をより大規模かつマクロ的なレベルで実現するためのプログラム可能なプラットフォームを作成し、それによって生体材料の新興分野を未開拓のフロンティア技術のブルーオーシャンに押し上げることを目指します。

遺伝子工学の利用

この研究では、遺伝子組み換えされた大腸菌バイオフィルムのみから作られた微生物インクが作られました。論文では、この微生物インクの具体的な特徴を詳しく説明し、その構造と形状の完全性を実証しています。

より長期的な影響としては、遺伝子組み換え大腸菌細胞を微生物インクに埋め込むことで、治療用生体材料、隔離用生体材料、調整可能生体材料など、さまざまな潜在的なバイオインクを 3D プリントできる可能性が実証されたことです。

図 |微生物インクの設計戦略、製造、機能的応用の概略図（出典：Nature Communications）

図のパート a では、研究者らは、フィブリン由来の α (ノブ) と γ (穴) のタンパク質ドメインを、巻き毛ナノファイバーの主な構造成分である CsgA と組み合わせることで、大腸菌を遺伝子操作して微生物インクを生成しました。

分泌後、CsgA-α および CsgA-γ モノマーは、球状細孔結合相互作用を通じて架橋ナノファイバーに自己組織化します。 b は、ノブドメインとホールドメインがフィブリンに由来し、血栓形成の超分子重合プロセスで重要な役割を果たしていることを示しています。図 c は、人工タンパク質ナノファイバーから微生物インクを製造するための全体的なスキームには、標準的な細菌培養、限られた処理手順が含まれ、外因性ポリマーを追加する必要がないことを示しています。最後に、微生物インクを 3D プリントして、機能的な生体材料を得ました。

この設計のアイデアは研究チームの以前の研究に基づいており、アンナとアビナッシュは、大腸菌バイオフィルム細胞外マトリックス（ECM）の天然タンパク質カーリナノファイバーを、機能性ペプチド/タンパク質をカーリCsgAモノマーに融合してずり減粘性ハイドロゲルを生成することで遺伝子操作できることを実証しました。同時に、理想的な粘弾性を持つバイオインクを作成するために、フィブリンにヒントを得た遺伝子工学による架橋戦略を導入しました（上図bを参照）。

この研究で調製された微生物インクは、アルファモジュールとガンマモジュール間の結合相互作用、すなわち「ノブホール」相互作用を再利用し、ナノファイバー間に非共有結合架橋を導入して、せん断減粘特性を維持しながら機械的堅牢性を高めることによって設計されました。さらに、研究者らは、CsgAの自己組織化によって形成された繊維は非常に安定しており、タンパク質分解、洗剤誘発性、熱変性などのさまざまな利点に耐えることができることも注目に値すると述べた。

合成生物学のための新しいツール

印刷可能なバイオインクは、簡単に押し出せるほど粘度が低く、印刷後に形状を維持できるほど強度がなければなりません。

この成果は、3Dバイオプリンティング技術分野において、調整可能な機械的強度、高い細胞生存率、高い印刷忠実度を備えた先進的なバイオインクの開発を大きく促進し、研究の考え方を広げました。

彼らの見解では、将来的には、合成生物学者によって開発され増え続ける生物学的部品の「ツールキット」を使用して、微生物インクをさまざまなバイオテクノロジーおよび生物医学的用途向けにさらにカスタマイズできるようになります。同研究所が開発した微生物バイオインクは、生きた細胞を建築構造材料に組み込む技術など、他の材料技術と組み合わせると特に重要になる可能性がある。

さらに、宇宙などの極限環境における人間の居住空間の構造物の建設もサポートできます。このような環境では原材料の輸送が極めて困難であるため、非常に限られた資源からオンデマンドで建築資材を生成することを検討する必要があります。

全体的に、3D バイオプリンティングはまだ初期の研究開発段階にあります。生物学的 3D 印刷技術の重要な材料であるバイオインクも、この分野の研究の焦点となっています。

市場への応用に関しては、これらの技術の規模や商業化について語るにはまだ時期尚早です。しかし、この研究分野は将来的に大きな発展の可能性を秘めており、パーソナライズされた医療機器、新しい生体材料の開発、3次元スキャフォールドと3次元細胞培養、再生医療、多細胞生物構造の構築、そして論文の研究者が構想している建築材料など、幅広い応用が考えられます。

生物学的3Dプリント技術は非常に速いペースで発展しており、外科手術や再生医療などさまざまな分野に大きな恩恵をもたらしていると言えます。今後、この分野において、人類社会の向上や関連産業の変革につながるようなさらなる技術が生まれることを期待します。

参考文献:

https://www.rs-online.com/designspark/home

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2017/12/3d-printed-minifactories.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171201181555.htm

執筆者: ヤン・チー

編集者: HS

レイアウト: 李雪偉