一項新研究揭示了一種可重複的方法，通過3D打印機“生物打印 ”這些細胞來研究不同類型的植物細胞之間的細胞通訊。學習更多關於植物細胞如何相互“溝通”–以及與環境“溝通”–是了解更多關於植物細胞功能的關鍵。這最終可能導致產生最佳的生長環境和更好的作物品種。
該研究於10月14日發表在《科學進展》雜誌上，來自北卡羅來納州立大學。
科學家們對模式植物擬南芥和大豆的細胞進行了生物打印。他們想研究植物細胞在被生物打印后是否會存活–以及存活多長時間。此外，他們還想研究它們如何獲得和改變它們的身份和功能。
北卡羅來納州立大學博士后研究員Lisa Van den Broeck說：“植物的根部有很多不同的細胞類型，具有專門的功能，”她是描述這項工作的論文的第一作者。“也有不同的基因集被表達；有些是細胞特異性的。我們想知道在你對活細胞進行生物打印並將它們放入你設計的環境中後會發生什麼。它們是否還活着，並且在做它們應該做的事情？”
3D生物打印植物細胞的過程在機械上類似於打印墨水或塑料，但有一些必要的調整。
Van den Broeck說：“我們不使用3D打印墨水或塑料，而是使用‘生物墨水’，或活的植物細胞。這兩個過程的機械原理是相同的，但植物細胞有幾個明顯的區別：一個紫外線過濾器用於保持環境無菌，多個打印頭–而不是只有一個–同時打印不同的生物墨水。”
沒有細胞壁的活體植物細胞，或原生質體，與營養物質、生長激素和一種叫做瓊脂糖的增稠劑（一種海藻類化合物）一起進行了生物打印。瓊脂糖有助於為細胞提供強度和“腳手架”，類似於支持建築牆體中磚塊的砂漿。
北卡羅來納州立大學植物和微生物生物學教授、該論文的共同通訊作者Ross Sozzani說：“我們發現，使用適當的支架是至關重要的。當你打印生物墨水時，你需要它是液體，但當它出來時，它需要是固體。模仿自然環境有助於保持細胞信號和線索在土壤中的發生。”
研究表明，超過一半的3D生物打印細胞是可行的，並隨着時間的推移而分裂，形成小的細胞群。
Van den Broeck說：“我們預計在細胞進行生物打印的當天會有很好的存活率，但是我們從來沒有在生物打印后保持細胞超過幾個小時，所以我們不知道幾天後會發生什麼。手動移液細胞后顯示出類似的活力範圍，所以3D打印過程似乎不會對細胞造成任何傷害。”
“這是一個手動的困難過程，而3D生物打印控制了液滴的壓力和液滴的打印速度，”Sozzani說。“生物打印為高通量處理和控制生物打印后的細胞結構提供了更好的機會，如層狀或蜂窩狀。”
研究人員還對單個細胞進行了生物打印，以測試它們是否能夠再生，或進行分裂和繁殖。研究結果表明，擬南芥的根和芽細胞需要不同的營養物質和支架組合以獲得最佳的生存能力。
同時，超過40%的單個大豆胚胎細胞在生物打印兩周后仍保持活力，並且還隨着時間的推移而分裂，形成小的細胞群。
Sozzani說：“這表明3D生物打印可以用於研究作物植物的細胞再生。”
最後，研究人員研究了生物打印細胞的細胞特性。擬南芥根細胞和胚胎大豆細胞以高增殖率和缺乏固定身份而聞名。換句話說，像動物或人類幹細胞一樣，這些細胞可以成為不同的細胞類型。
“我們發現，生物打印的細胞可以擁有幹細胞的身份；它們分裂和生長，並表達特定的基因，”Van den Broeck說。“當你進行生物打印時，你打印的是整個細胞類型的群體。我們能夠檢查3D生物打印后單個細胞所表達的基因，以了解細胞身份的任何變化。”
研究人員計劃繼續他們的工作，研究3D生物打印后的細胞通訊，包括在單細胞水平。Sozzani說：“總而言之，這項研究顯示了使用3D生物打印的強大潛力，以確定在受控環境中支持植物細胞生存能力和通信所需的最佳化合物。”