Des tatouages vivants avec des bactéries génétiquement modifiées :une nouvelle innovation en matière de bio-impression

• Les chercheurs créent un tatouage fin et sensible aux cellules qui brille au contact des cellules de la peau. 
• L'encre de 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 trois capteurs différents, capables de supporter la compression, l'étirement et la torsion.

Des chercheurs du MIT ont découvert une nouvelle méthode permettant d'utiliser un type spécial d'encre composée de cellules vivantes génétiquement programmées. Ils ont conçu un tatouage temporaire, et son prototype ressemble à un patch adhésif fin et transparent avec un motif en forme d'arbre.

Il est divisé en plusieurs sections qui sont sensibles aux cellules à un composé chimique différent. Lorsque ce tatouage entre en contact avec la peau, il est exposé à un composé particulier (présent dans la peau humaine), provoquant l'illumination des régions correspondantes de l'arbre en réponse.

Cela se produit parce que les cellules sont conçues pour s’allumer en réponse à différents types de stimuli. Lorsqu'elles sont combinées à une suspension de nutriments et d'hydrogène, les cellules pourraient être imprimées couche par couche afin de former une structure interactive 3D.

Études antérieures dans le même domaine

Les matériaux sensibles aux stimuli ne sont pas quelque chose de nouveau :la recherche et le développement se poursuivent 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 à des températures élevées peut être utilisé pour développer des robots à auto-assemblage.

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

Cependant, cette fois, les chercheurs ont découvert un moyen d’utiliser des cellules vivantes pouvant être programmées et obtenues dans un matériau réactif imprimé en 3D. Les recherches effectuées jusqu'à présent suggèrent qu'au moins les cellules de mammifères ne seraient pas réalisables pour cela. Ils ne peuvent pas fonctionner dans les conditions difficiles de l’impression 3D – exposition aux ultraviolets lors de la réticulation, force de cisaillement lors de l’extrusion et bien plus encore. Étant donné que les cellules des mammifères sont des ballons bicouches lipidiques, les cellules meurent pendant le processus d'impression.

En revanche, les cellules bactériennes dotées d’une paroi cellulaire protectrice sont beaucoup plus fortes. Ils sont compatibles avec la plupart des hydrogels – un matériau composé de polymère et d'eau, et utilisés dans une large gamme d'applications médicales.

La nouvelle encre réactive Living

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

À l'aide de 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. La bio-encre contenant des micelles de diacrylate pluronic F127 pures retrouve un état d'emballage après l'impression, qui est stabilisé par réticulation ultraviolette.

Référence : Matériaux avancés | 10.1002/adma.201704821 | Via MIT Actualités 

Ils ont également construit un modèle pour prévoir les interactions entre les cellules au sein d’une structure imprimée en 3D, dans 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 millimètres ou 30 micromètres. Même les connexions pyramidales de l'analyte et du capteur sont faciles à réaliser. L'impression 3D multi-encres permet la construction de plusieurs portes logiques en utilisant la fluorescence GFP comme sortie. Ils ont déjà imprimé le motif de test sur de l'élastomère et l'ont collé sur la peau enduite de produits chimiques.

Une configuration contrôlée spatio-temporelle est obtenue grâce à la distribution spatiale bien définie de l'hydrogel, à la dépendance temporelle de la diffusion de la molécule signal et à la production de GFP.

Le gel constitué de bactéries sensibles à la N-acyl homosérine lactone peut être imprimé selon des motifs complexes. La connexion au gel contenant du lacton N-acyl homosérine induit la production de GFP de la bactérie, qui se disperse dans tout le capteur pendant la nuit.  

Un tatouage vivant imprimé en 3D développé à l’aide de cette méthodologie comporte 3 capteurs différents, capables de supporter la compression, l’étirement et la 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 du tatouage se sont allumées lorsque la bactérie est entrée en contact direct avec ses stimuli chimiques. Les cellules bactériennes peuvent également communiquer entre elles et émettre une fluorescence après avoir reçu un signal spécifique d'une autre cellule.

Les chercheurs l’ont testé dans une structure 3D, superposant deux feuilles imprimées de filaments d’hydrogel. Ils se sont allumés lorsqu'ils sont entrés en contact les uns avec les autres et ont reçu le signal de communication spécifique.

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Quelle est la prochaine étape ?

Dans un avenir proche, les chercheurs s'attendent à pouvoir imprimer des plates-formes informatiques vivantes et portables, ainsi que des structures avec plusieurs types différents de cellules capables de transmettre des signaux dans les deux sens, un peu comme des transistors sur une micropuce.

Ils travaillent au développement de systèmes d’administration de médicaments et de capteurs chimiques, qui peuvent être programmés pour administrer des médicaments dans l’organisme au fil du temps.