Ученые в США совершили прорыв: 3D-печать живыми водорослями позволяет создавать светящиеся материалы без электричества

Группа исследователей из Университета Колорадо в Боулдере представила в научном журнале Science Advances работу, которая открывает новые горизонты в области биологической 3D-печати. Экспертам удалось интегрировать живые клетки микроводорослей Pyrocystis lunula в трехмерные структуры из альгината.

Созданные таким образом материалы способны излучать свет в течение нескольких недель без использования каких-либо электрических источников питания. Процесс свечения активируется контролируемыми химическими стимулами и может повторяться многократно.

Ведущий автор исследования Джулия Браки пояснила, что идея заключалась в использовании естественного механизма биолюминесценции, который водоросли Pyrocystis lunula применяют в природе на протяжении миллионов лет. Ученые задались вопросом: смогут ли эти организмы продолжать светиться, будучи заключенными внутри напечатанного каркаса?

Химическая активация света без вреда для клеток

Свечение водорослей активируется изменением уровня pH, что запускает реакцию между люциферином и люциферазой внутри клеток. Исследователи протестировали два типа химических растворов для управления этим процессом.

Выяснилось, что кислый раствор (pH 4, сопоставимый с томатным соком) вызывает яркое, локализованное и продолжительное свечение, которое длится до 25 минут. В ходе экспериментов интенсивность этого света достигала пика в 112 000 фотонов. Напротив, щелочной раствор (pH 10) приводил к тусклому свечению (около 43 000 фотонов) и вызывал у клеток стрессовую реакцию.

Важным выводом стало то, что кислотная стимуляция не только в три раза интенсивнее щелочной, но и не нарушает жизнеспособность водорослей, позволяя им восстанавливаться после цикла активации.

Для создания материала водоросли поместили в 4-процентный раствор альгината. Эта среда обеспечивает необходимый обмен газов и питательных веществ, удерживая клетки на своих местах и не меняя их внутренний кислотно-щелочной баланс. Печать производилась на специализированном биопринтере через сверхтонкое сопло.

Долговечность и экологические преимущества

В ходе четырехнедельных испытаний ученые проверяли долговечность материала. Структуры, которые активировались кислотой, сохраняли свою функциональность на протяжении всего месяца: к концу исследования 75% образцов все еще продолжали светиться.

Джулия Браки отметила: «Это первый случай, когда нам удалось найти способ поддерживать люминесценцию в искусственном материале в течение столь длительного времени через правильный химический стимул».

Помимо эстетического эффекта, технология несет огромную пользу для экологии. Поскольку микроводоросли являются фотосинтезирующими организмами, они поглощают углекислый газ, превращая его в энергию. «Мы фиксируем углерод, пока создаем свет, в то время как традиционные системы освещения, напротив, приводят к выбросам углерода», — подчеркнул профессор Уил Срубар.

Перспективы применения

Исследователи выделяют три ключевых направления для использования новой технологии:

• Мягкая робототехника: создание глубоководных или космических роботов, способных подавать световые сигналы без тяжелых аккумуляторов.
• Живые сенсоры: экологический мониторинг качества воды, где изменение интенсивности света будет сигнализировать о загрязнении.
• Аварийное освещение: безопасная и нетоксичная альтернатива фосфоресцирующим материалам для маркировки путей эвакуации.

На текущий момент ученые подали заявку на патент и планируют работать над масштабированием производства, а также созданием материалов, способных реагировать на несколько раздражителей одновременно.