バクテリアでできた光るタトゥー。バイオテクノロジーがもたらす不思議な光

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本記事は、A Living Tattoo That Uses Genetically Programmed Bacteriaを
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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遺伝子でプログラムされたバクテリアを使った、生きたタトゥー

研究者たちは、皮膚の細胞に触れると光を放つ薄いタトゥーを作りました。このタトゥーインクは、ハイドロゲルと、細胞を生き生きとさせるための栄養素を混ぜたものでできていて、約30マイクロメートルの高解像度で印刷することができます。

3Dプリントされた生きたタトゥーには、3つの異なるセンサーが搭載されており、圧縮、伸張、ねじれに耐えることができます。

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者たちは、遺伝的にプログラムされた生きた細胞でできた特殊なインクを使用する新しい方法を発見しました。彼らは、一時的なタトゥーを考案しました。そのプロトタイプは、木の形のパターンを持つ、薄くて透明な貼り付け用パッチのように見えます。

これは、異なる化学物質に感応するいくつかの部分に分かれています。このタトゥーが肌に触れると、特定の化合物（人間の皮膚に含まれる）にさらされ、それに反応してこれの対応する部分が光ります。

これは、細胞がさまざまな刺激に反応して発光するように設計されているために起こる現象です。この細胞を栄養分と水素のスラリーと組み合わせると、3Dのインタラクティブな構造を形成するために、層ごとに印刷することができます。

同じ分野の過去の研究

刺激に反応する材料は新しいものではなく、10年以上前から研究開発が行われています。例えば、化学物質によく反応する材料は化学センサーに、高温に反応する材料は自己組織化ロボットの開発に利用できます

3Dプリンターが広く普及し、はるかに安い価格で入手できるようになったため、刺激応答性材料を含む実験対象物を開発するための一般的な手法となっています。

しかし、今回、研究者たちは、3Dプリントされた反応性材料に、プログラムして得られる生きた細胞を使用する方法を実現しました。これまでの研究では、少なくとも哺乳類の細胞では実現できないと考えられていました。

哺乳類の細胞は、架橋時の紫外線照射、押し出し時のせん断力など、3Dプリントの過酷な条件では働けません。また、哺乳類の細胞は脂質二重層の風船状なので、印刷中に細胞が死んでしまいます。

一方、保護用の細胞壁を持つバクテリアの細胞ははるかに強靭です。この細胞は、ほとんどのハイドロゲル（ポリマーと水でできた材料）と互換性があり、幅広い医療用途に使用されています。

新しい生きたレスポンシブインクライン

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは、新しい技術を用いて、インタラクティブ・ディスプレイやウェアラブル・センサー用の「アクティブ」な材料を製造しました。実際、この素材を生きた細胞と組み合わせることで、環境中の化学物質や汚染物質、温度やpHのわずかな変化を感知することができるといいます。

研究チームは、遺伝的にプログラムされたバクテリアの細胞を使って、ハイドロゲルと栄養素の混合物でできたインクを作り、細胞を生存させました。

具体的には、4種類のシグナル物質に反応して緑色蛍光タンパク質（GFP）を生成したり、化学物質を分泌したりするさまざまなバクテリア細胞を設計し、ハイドロゲル内を自由に拡散させました。純粋なプルロニックF127ジアクリレートミセルを含むバイオインクは、印刷後にパッキング状態に回復し、紫外線架橋によって安定化されます。

また、3Dプリントされた構造体の中で、さまざまな条件下での細胞間の相互作用を予測するモデルも構築しました。このモデルは、他の科学者が応答性の高い生体材料を作るための指針として利用できる可能性があります。

今回開発されたインクは、約0.03ミリメートル、30マイクロメートルという高い解像度で印刷することができます。分析対象物とセンサーのピラミッド型の接続も簡単に実現できます。また、マルチインクによる3Dプリントでは、GFPの蛍光を出力とする複数の論理ゲートの構築が可能です。すでにテストパターンをエラストマーに印刷し、化学薬品を塗った皮膚に貼り付けています。

ハイドロゲルの空間分布、シグナル分子の拡散とGFP生成の時間依存性が明確に定義されているため、時空間的に制御されたパターニングが実現しています。

N-アシルホモセリンラクトンに反応するバクテリアで構成されたゲルは、複雑なパターンで印刷することができます。N-アシルホモセリンラクトンを含むゲルに接続すると、バクテリアのGFP産生が誘導され、一晩でセンサー全体に散らばります。