Tatouages vivants avec bactéries génétiquement modifiées : une innovation en bio-impression

• Des chercheurs créent un tatouage fin, sensible aux cellules, qui brille au contact des cellules cutanées.
• L'encre du tatouage est composée d'hydrogel et d'un mélange de nutriments pour maintenir les cellules en vie.
• L'encre peut être imprimée à haute résolution – environ 30 micromètres.
• Un tatouage vivant imprimé en 3D comporte 3 capteurs différents, supportant compression, étirement et torsion.

Des chercheurs du MIT ont découvert une nouvelle méthode pour utiliser un type spécial d'encre composée de cellules vivantes génétiquement programmées. Ils ont mis au point un tatouage temporaire, dont le prototype ressemble à un patch fin, transparent, autocollant, avec un motif en forme d'arbre.

Il est divisé en plusieurs sections sensibles à différents composés chimiques. Lorsque ce tatouage entre en contact avec la peau, il est exposé à un composé particulier (présent dans la peau humaine), ce qui fait s'illuminer les régions correspondantes de l'arbre en réponse.

Cela se produit parce que les cellules sont conçues pour s'illuminer en réponse à différents types de stimuli. Combinées à une bouillie de nutriments et d'hydrogène, les cellules peuvent être imprimées couche par couche pour former une structure interactive en 3D.

Études antérieures dans le même domaine

Les matériaux réactifs aux stimuli ne sont pas nouveaux – la recherche et le développement durent depuis plus d'une décennie. Par exemple, un matériau qui réagit bien aux produits chimiques peut être utilisé pour créer un capteur chimique, ou un matériau qui réagit aux hautes températures peut être utilisé pour développer des robots auto-assemblables.

Depuis que l'impression 3D est désormais largement accessible et disponible à des prix bien moins élevés, elle est devenue une méthode courante pour développer des objets expérimentaux, y compris des matériaux réactifs aux stimuli.

Cependant, cette fois, les chercheurs ont trouvé un moyen d'utiliser des cellules vivantes qui peuvent être programmées et obtenues dans un matériau réactif imprimé en 3D. Les recherches menées jusqu'à présent suggèrent qu'au moins les cellules mammifères ne seraient pas faisables pour cela. Elles ne peuvent pas fonctionner dans les conditions difficiles de l'impression 3D – exposition aux ultraviolets pendant le réticulage, force de cisaillement pendant l'extrusion, etc. Comme les cellules mammifères sont des ballons à bicouche lipidique, elles meurent pendant le processus d'impression.

En revanche, les cellules bactériennes avec une paroi cellulaire protectrice sont beaucoup plus résistantes. Elles sont compatibles avec la plupart des hydrogels – matériaux composés de polymère et d'eau, utilisés dans une large gamme d'applications médicales.

La nouvelle encre réactive vivante

Les chercheurs du MIT utilisent une nouvelle technique pour fabriquer un matériau « actif » pour les affichages interactifs et les capteurs portables. En fait, ces matériaux pourraient être combinés avec des cellules vivantes pour détecter des produits chimiques environnementaux et des polluants, ainsi que de légères variations de température et de pH.

En utilisant des cellules bactériennes génétiquement programmées, l'équipe a construit une encre composée d'hydrogel et d'un mélange de nutriments pour maintenir les cellules en vie.

Plus précisément, ils ont conçu une gamme de cellules bactériennes capables de générer une protéine fluorescente verte (GFP) ou de sécréter des produits chimiques en réponse à quatre produits chimiques de signalisation différents, qui diffusent librement dans l'hydrogel. L'encre biologique contenant des micelles pures de pluronique F127 diacrylate revient à un état d'empilement après l'impression, stabilisé par réticulation ultraviolette.

Référence : Advanced Materials | 10.1002/adma.201704821 | Via MIT News

Ils ont également construit un modèle pour prévoir les interactions entre cellules au sein d'une structure imprimée en 3D, sous différentes conditions. Ce modèle pourrait être utilisé par d'autres scientifiques comme guide pour créer des matériaux vivants réactifs.

L'encre qu'ils ont développée peut être imprimée à haute résolution – environ 0,03 millimètre ou 30 micromètres. Même des connexions en forme de pyramide entre analyte et capteur sont facilement réalisables. L'impression 3D multi-encre permet la construction de plusieurs portes logiques en utilisant la fluorescence GFP comme sortie. Ils ont déjà imprimé le motif de test sur un élastomère et l'ont collé sur de la peau, qui avait été enduite de produits chimiques.

Le patronnage spatio-temporel contrôlé est réalisé grâce à la distribution spatiale bien définie de l'hydrogel, la dépendance temporelle de la diffusion des molécules de signal et la production de GFP.

Le gel composé de bactéries réactives à l'acyl-homosérine lactone peut être imprimé en motifs complexes. La connexion à un gel contenant de l'acyl-homosérine lactone induit la production de GFP par les bactéries, qui se diffuse dans tout le capteur pendant la nuit.

Un tatouage vivant imprimé en 3D développé selon cette méthodologie comporte 3 capteurs différents, qui supportent compression, étirement et torsion. L'application d'analytes provoque des réponses locales précises uniquement dans la zone respective du capteur.

Pendant quelques heures, différentes sections du motif d'arbre dans le tatouage se sont allumées alors que les bactéries entraient en contact direct avec leurs stimuli chimiques. Les cellules bactériennes peuvent également communiquer entre elles et fluorescer après avoir reçu un signal spécifique d'une autre cellule.

Les chercheurs l'ont testé dans une structure 3D, superposant deux feuilles de filaments d'hydrogel imprimés. Elles se sont allumées lorsqu'elles sont entrées en contact l'une avec l'autre et ont reçu le signal de communication spécifique.

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Prochaines étapes

Dans un avenir proche, les chercheurs s'attendent à pouvoir imprimer une plateforme computationnelle portable vivante, et des structures avec plusieurs types de cellules différentes qui peuvent se transmettre des signaux, un peu comme des transistors sur une puce.

Ils travaillent à développer des systèmes d'administration de médicaments et des capteurs chimiques, qui peuvent être programmés pour délivrer des médicaments dans le corps au fil du temps.