3D-печать растительных клеток открывает перспективы для изучения клеточных функций

Новое исследование Университета штата Северная Каролина демонстрирует воспроизводимый способ изучения клеточной коммуникации между различными типами растительных клеток путем «биопечати» этих клеток с помощью 3D-принтера. Узнать больше о том, как растительные клетки взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой, является ключом к большему пониманию функций растительных клеток и может в конечном итоге привести к созданию лучших сортов сельскохозяйственных культур и оптимальных условий выращивания.

Исследователи произвели биопечать клеток модельного растения Arabidopsis thaliana и соевых бобов, чтобы не только изучить, будут ли клетки растений жить после биопечати и как долго, но и изучить, как они приобретают и меняют свою идентичность и функции.

«Корень растения имеет множество различных типов клеток со специализированными функциями», — сказала Лиза Ван ден Брок, исследователь из штата Северная Каролина, которая является первым автором статьи, описывающей эту работу. «Также экспрессируются разные наборы генов; некоторые из них специфичны для клеток. Мы хотели знать, что происходит после того, как вы биопринтируете живые клетки и помещаете их в созданную вами среду: живы ли они и делают ли они то, что должны делать?»

Процесс 3D-биопечати растительных клеток механически похож на печать краской или пластиком, но с некоторыми необходимыми изменениями.

«Вместо чернил или пластика для 3D-печати мы используем «биочернила» или живые растительные клетки», — сказал Ван ден Брок. «Механика в обоих процессах одинакова с несколькими заметными отличиями для растительных клеток: ультрафиолетовый фильтр, используемый для поддержания стерильности окружающей среды, и несколько печатающих головок — а не одна — для одновременной печати разных биочернил».

Живые растительные клетки без клеточных стенок или протопластов были биопринтированы вместе с питательными веществами, гормонами роста и загустителем, называемым агарозой — соединением на основе морских водорослей. Агароза помогает обеспечить прочность клеток и создать строительные леса, подобно раствору, поддерживающему кирпичи в стене здания.

«Мы обнаружили, что очень важно использовать надлежащие строительные леса», — сказал Росс Соццани, профессор биологии растений и микробов в штате Северная Каролина и соавтор статьи. «Когда вы печатаете биочернила, вам нужно, чтобы они были жидкими, но когда они выходят, они должны быть твердыми. Имитация естественной среды помогает сохранять клеточные сигналы и сигналы такими же, как в почве».

Исследование показало, что более половины 3D-биопечатных клеток были жизнеспособны и со временем разделялись, образуя микрокаллы или небольшие колонии клеток.

«Мы ожидали хорошей жизнеспособности в тот день, когда клетки были подвергнуты биопечати, но мы никогда не поддерживали клетки в течение нескольких часов после биопечати, поэтому мы понятия не имели, что произойдет через несколько дней», — сказал Ван ден Брок. «Подобные диапазоны жизнеспособности показаны после ручного пипетирования клеток, поэтому процесс 3D-печати, похоже, не причиняет клеткам ничего вредного».

«Это сложный ручной процесс, и 3D-биопечать контролирует давление капель и скорость, с которой капли печатаются», — сказал Соццани. «Биопечать предоставляет лучшие возможности для высокопроизводительной обработки и контроля над архитектурой клеток после биопечати, такой как слои или формы сот».

Исследователи также биопечатали отдельные клетки, чтобы проверить, могут ли они регенерировать или делиться и размножаться. Полученные данные показали, что клетки корней и побегов арабидопсиса нуждаются в различных комбинациях питательных веществ и каркаса для оптимальной жизнеспособности.

Между тем, более 40% отдельных эмбриональных клеток сои оставались жизнеспособными через две недели после биопечати, а также со временем делились с образованием микрокаллусов.

«Это показывает, что 3D-биопечать может быть полезна для изучения клеточной регенерации сельскохозяйственных культур», — сказал Соццани.

Наконец, исследователи изучили клеточную идентичность биопринтированных клеток. Корневые клетки арабидопсиса и эмбриональные клетки сои известны высокой скоростью пролиферации и отсутствием фиксированной идентичности. Другими словами, подобно стволовым клеткам животных или человека, эти клетки могут стать клетками разных типов.

«Мы обнаружили, что биопринтированные клетки могут принимать идентичность стволовых клеток; они делятся, растут и экспрессируют определенные гены», — сказал Ван ден Брук. «Когда вы выполняете биопечать, вы печатаете целую популяцию типов клеток. Мы смогли изучить гены, экспрессируемые отдельными клетками после 3D-биопечати, чтобы понять любые изменения в клеточной идентичности».

Исследователи планируют продолжить работу по изучению сотовой связи после 3D-биопечати, в том числе на уровне отдельных клеток.

«В целом, это исследование показывает мощный потенциал использования 3D-биопечати для определения оптимальных соединений, необходимых для поддержания жизнеспособности растительных клеток и коммуникации в контролируемой среде», — сказал Соццани.

Исследование появляется в Научные достижения. Тим Хорн, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Северная Каролина, является соавтором статьи.