光合作用需要哪些组织,光合作用必须具备的条件

近期，哈佛大学Yu Shrike Zhang组Cell子刊Matter期刊上发表了“Symbiotic Photosynthetic Oxygenation within 3D-Bioprinted Vascularized Tissues”的文章。

摘要：介绍了利用三维（3D）生物打印包含绿藻（莱茵衣藻）的图案，作为一种自然的光合作用氧气发生器。使得光合作用的氧气（O2）供应给哺乳动物细胞内的体积细胞外基质。生物打印的莱茵衣藻增强了哺乳动物细胞的活力和功能，同时减少了组织内的缺氧状况。在最初的氧合阶段之后，研究者能够从基质中酶切去除生物印制的莱茵衣藻的模式后，随后形成的空心可灌注微通道内皮化，从而获得生物学相关的血管化哺乳动物组织构建体。探索莱茵衣藻作为天然，生态友好，具有成本效益和可持续的O2来源可能促进工程组织，组织模型和食品在各种应用中的发展。

尽管在体外3D组织及其模型的制造方面取得了进步，但仍存在主要局限性，例如在整个组织构建体中维持高细胞活力和功能性，这在很大程度上取决于氧气（O2）的可用性。3D生物打印可以在组织支架内使用牺牲性（生物）墨水在体积组织结构中快速制造血管通道，去除后会形成可灌注的微通道，可将其种植血管细胞用于血管新生和/或体内植入以促进血管网络的形成。最近，光合微藻已被尝试作为工程组织构建体中的O2来源。

考虑到藻类细胞壁含有多糖（包括纤维素），研究者选择了一种结构相关的聚合物NaCMC作为生物墨水的主要成分，用于莱茵衣藻的生物印刷，以支持其生长和增殖。使用由NaCMC，PVA，明胶和海藻酸钠组成的基于纤维素的牺牲生物墨水配方，以促进明确定义的牺牲模式的挤压生物印刷和莱茵衣藻的生长。NaCMC是天然纤维素的水溶性纤维素醚衍生物，其中将羧甲基钠（CH2COONa）引入纤维素分子中以促进水溶性。NaCMC水凝胶的物理交联主要通过氢键的存在而发生。 明胶是通过部分水解胶原蛋白（天然ECM的主要成分）产生的可溶性多肽，是一种热可逆生物聚合物，其最高临界溶液温度约为30°C –35°C，即在高于此温度范围时变为液体，并在低于约25°C的温度下形成水凝胶。明胶和基于明胶的水凝胶由于具有生物相容性而被广泛用于体外组织模型的开发。PVA是具有高拉伸强度的水溶性可生物降解的多羟基聚合物。它是一种合成的聚合物，具有出色的粘合性能。PVA中与交替碳原子相连的羟基的存在有利于氢键的形成。海藻酸是一种天然的线性多糖聚合物，通过添加二价阳离子（例如Ca2 ，通过物理交联来稳定聚合物网络。这些聚合物由于具有生物降解性，生物相容性，无毒性和成本效益等优点，已广泛用于组织工程中的水凝胶制剂中。研究目的是使用基于NaCMC的生物墨水，作为莱茵衣藻的生物打印的牺牲基质，并将生物打印的莱茵衣藻负载的图样用作体外组织构建体中O2的活体来源。在生物打印工艺过程中，适当的生物墨水粘度对于确保其正确挤出很重要。通过均匀混合不同量的NaCMC，聚乙烯醇（PVA），明胶和藻酸盐溶液来制备生物墨水。以NaCMC和明胶为主要成分，而PVA和藻酸盐为添加剂。流变结果表明，发现最佳组合生物墨水的粘度高于单个组分，效果更优。

图1 生物墨水

温度和光照条件是莱茵衣藻培养的重要因素。几项研究表明，温度可以显着影响生长速度，碳水化合物和脂质的产生，以及色素形成的诱导。虽然在25°C至28°C的温度下自养营养生长最佳，基于所需的产品，温度范围从10°C到38°C被认为是最佳的。在连续光照下生物打印有莱茵衣藻的图案中的莱茵衣藻的生存力测定表明，基于NaCMC的水凝胶与莱茵衣藻的生长相容，并且这些光合单细胞藻类对生物打印有利（图2）。有趣的是，在25°C和37°C的紫外线照射下，含莱茵衣藻的模式对含莱茵衣藻的模式的生长和叶绿素含量都没有任何不利影响 。在25°C和37°C下，使用高约6 cm，直径约2 cm的高圆柱形构造，评估了光照衰减对莱茵衣藻生长和随后产生O2的影响。关于在25°C和37°C下照明光的衰减，观察到圆柱状构造体中莱茵衣藻的生长衰减以及随之而来的O2生成减少。但是，应该注意的是，GelMA构建体的整体大小约为1厘米厚，嵌入的生物印制的莱茵衣藻的顶部为4毫米，底部为4毫米。每个构建体中生物印制的莱茵衣藻图案顶部的GelMA层（4毫米）是透明的（图3G和3H），并且厚度不厚，以至于会显着衰减照明光并影响生物印制的莱茵衣藻的生长。当将构建体在TAP培养基中培养时，在37℃观察到相似的生长。但是，在37°C下，它们在混合培养基中生长时，在存在或不存在GelMA基质的情况下，它们在4天的时间里都显示出高的细胞活力，并在7天的时间内逐渐降低。

当对莱茵衣藻的模式进行1-h / 1-h光照（2,800 lux）/黑暗循环时，发现在25°C时，培养基中溶解的O2含量逐渐增加在13 h的培养时间内达到37°C，然后逐渐降低直至20 h，然后在40 h内迅速降低。即使在开灯时在37°C和25°C时溶解的O2水平相当，但在关灯时在37°C时O2水平相对较低。另外，在存在和不存在周围GelMA基质的情况下，生物打印有莱茵衣藻的模式在25°C下在7天的时间内均显示出高细胞活力（图3A和3B）。同样，在存在和不存在周围GelMA或HepG2 /的情况下，在连续光照（2,800 lux）下的4天期间，这些富含莱茵衣藻的模式在25°C和37°C下均表现出显着的光合作用活性。

图2 3D打印莱茵衣藻