《Bioresource Technology》：Cross-scale modeling of bacteria-contaminant spatiotemporal dynamics in 3D bioprinted hydrogel for dye biodegradation
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3D生物打印技术通过精准构建功能化生物水凝胶实现微生物生态位调控，研究创新性整合GEM与COMETS构建跨尺度数字模型，发现GCSA水凝胶可降低33.16%氧化应激并提升10-20%污染物降解效率。
郭伟豪|侯雅楠|邢伟|徐冉|马金峰|王爱杰|任楠祺|黄聪
中国科学院天津工业生物技术研究所合成生物学国家技术创新中心，天津300308，中国
摘要
三维（3D）生物打印技术能够精确构建功能性生物水凝胶，但在这些结构内有效模拟细菌动态仍然具有挑战性。在此，我们开发了一种新型明胶/纤维素/海藻酸钠（GCSA）生物水凝胶，其中包含了Shewanella oneidensis MR-1菌株，该水凝胶具有优异的机械性能和生物相容性。使用Direct Blue 71（DB71）作为模型污染物，我们展示了高效的生物修复效果，并通过全面的实验表征阐明了保护机制。我们建立了一个跨尺度的“水凝胶-细菌-数字模型”框架，将高质量的基因组级代谢模型（GEM）与微生物生态系统时空计算（COMETS）模拟相结合，以桥接生物水凝胶微环境中的细菌生长分布和污染物扩散。这种方法揭示了多尺度下细菌-污染物相互作用的基本机制，验证了优化多孔结构对提高传质效率的作用，并证明了生物水凝胶封装可以减少细菌的氧化应激同时促进代谢活性。该框架在应对复杂环境挑战方面表现出灵活性和扩展性，同时推进了对工程生物系统中跨尺度相互作用的基本理解。
引言
3D生物打印技术已成为一项变革性技术，在食品科学（Maharjan等人，2025年；Tsubaki等人，2025年）、组织工程（Gong等人，2025年；Shiwarski等人，2025年）、生物医学（Filippi等人，2025年；Murphy等人，2020年）以及越来越多的环境工程（Datta等人，2023年；Jiang等人，2025年；Zhao等人，2023年）领域得到广泛应用。与传统依赖无机材料的3D打印不同，生物打印使用含有细胞、支架、水凝胶和生物活性分子的“生物墨水”来精确构建功能复杂的三维结构（Bedell等人，2020年；Daly等人，2021年）。这种逐层制造方法能够在水凝胶基质中精确组织微生物，创造出对微生物群落稳定性和特定功能至关重要的定制化生态位（Oh等人，2024年；Wen等人，2025年；Zhang和Khademhosseini，2017年）。最近的进展显示出巨大潜力：生物打印的脱氮细菌系统表现出显著提高的氮去除效率（Liu等人，2025b），而生物打印的微藻网络能有效处理受抗生素污染的废水（Jiang等人，2025年）。然而，要充分发挥这些系统的潜力，需要全面了解细菌在三维结构中的分布、增殖和活性。
目前的可视化方法对理解生物打印系统中的微生物行为做出了重要贡献。荧光染色技术使研究人员能够观察到完整的生物膜发育周期，为了解水凝胶基质中的细菌定殖模式和群落建立提供了宝贵见解（Ning等人，2019年；Ou等人，2023年）。绿色荧光蛋白（GFP）标记允许实时可视化三维环境中的细胞分布和生长动态（Huang等人，2019年；Van den Broeck等人，2022年）。然而，这些现有方法存在显著局限性，限制了其在复杂生物水凝胶系统中的应用。荧光染色常常会损害细菌的存活能力，且只能提供静态快照；而GFP标记则面临转化效率不稳定、光学干扰以及深层细菌观察穿透深度有限等问题（Rosenberg等人，2019年；Wang等人，2023年）。这些限制造成了我们对于全面时空细菌监测的需求与当前技术能力之间的巨大差距，因此需要创新的方法来弥补这一不足。
基因组级代谢模型（GEMs）代表了系统生物学的一个范式转变，提供了超越传统实验局限性的全新综合分析能力（Fang等人，2020年；Liu等人，2025a；Quinn-Bohmann等人，2025年）。自1999年首次为Haemophilus influenzae开发出GEM以来，这些计算框架已发展成为预测代谢功能、表型特征和代谢产物的强大工具（Fang等人，2020年；Kim等人，2023年；Kim等人，2018年；O’Brien等人，2015年）。通过整合基因组数据、代谢网络和实验观察，GEMs能够以极高的准确性描述细胞生理学——对于Shewanella oneidensis MR-1在不同底物上的生长预测，其准确率可达86.9%（Luo等人，2022年）。最近COMETS的整合通过实现细菌代谢活动、营养物质扩散和三维环境中的时空动态的精确模拟，彻底改变了空间微生物学（Dukovski等人，2021年；Sch?fer等人，2023年；van den Berg等人，2022年）。这一计算进步克服了传统标记技术的时空限制，为长期、动态、跨尺度的微生物行为研究提供了强大的平台。
先进的生物打印技术与复杂的计算建模的结合为解决微生物系统表征中的当前局限性提供了前所未有的机会。在这项工作中，我们首次将3D生物打印与计算建模相结合，创建了一个全面的“水凝胶-细菌-数字模型”框架（图1）。我们开发了一种新型明胶/纤维素/海藻酸钠（GCSA）生物水凝胶，其中包含了S. oneidensis MR-1菌株，该水凝胶具有优异的机械性能和生物相容性。使用Direct Blue 71作为模型污染物，我们验证了系统的生物修复效果，并阐明了水凝胶对嵌入细菌的保护机制。通过结合GFP工程细菌、高质量的基因组级代谢建模和COMETS模拟，我们实现了细菌生长、空间分布和污染物去除过程的动态可视化和预测。这种综合方法为生物水凝胶设计提供了概念验证，并为理解复杂三维生物系统中的微生物行为提供了关键见解。
章节片段
细菌培养和生物墨水制备
储存在-80°C的Shewanella oneidensis MR-1甘油菌株被接种到Luria-Bertani（LB）固体培养基上，并在35°C下孵育过夜直至形成单菌落。LB培养基由10 g/L NaCl、10 g/L色氨酸、5 g/L酵母提取物组成，固体培养基还包括15 g/L琼脂。用无菌移液器尖端挑取一个菌落，然后接种到200 mL的LB肉汤中。在35°C下振荡培养过夜（振荡速率为200 r/min）后，
机械性能表征
机械完整性对于维持3D生物打印水凝胶的结构稳定性至关重要，尤其是在长时间处于复杂液体压力环境中的生物载体中（Hull等人，2022年）。纤维素是一种具有优异生物相容性和生物降解性的天然聚合物，被广泛用于增强水凝胶的机械性能（Tu等人，2021年）。两种类型的生物水凝胶——明胶-海藻酸钠（GSA）和
结论
本研究建立了首个结合3D生物打印、功能性生物水凝胶和预测建模的集成框架。我们证明了合理设计的GCSA生物水凝胶能够创造保护性微环境，从根本上改变细菌的生理状态——使氧化应激降低33.16%，增强代谢活性，并在14个处理周期内实现比浮游系统高出10-20%的持续污染物去除效果。关键的是，我们揭示了这一现象的分子基础
CRediT作者贡献声明
郭伟豪：撰写——原始草稿、可视化、验证、正式分析、数据管理。侯雅楠：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。邢伟：可视化、软件开发、方法学。徐冉：验证、方法学。马金峰：项目管理、实验研究。王爱杰：资源管理、项目管理、资金获取。任楠祺：资源管理、资金获取。黄聪：撰写——审稿与编辑、资源管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号：52570046、52300182、52321005、52293443和52230004）；天津市自然科学基金项目（项目编号：25JCYBJC00210）；以及天津市合成生物技术创新能力提升项目（项目编号：TSBICIP-CXRC-074和TSBICIP-CXRC-007）的支持。
