Эта первая в своем роде система, возглавляемая Хэлом Альпером, профессором Техасского университета инженерной школы Кокрелла в Остине, в сотрудничестве с химиком Альшакимом Нельсоном и его исследовательской группой из Вашингтонского университета, эффективно встраивает микробные биофабрики – клетки. биоинженерия, позволяющая производить перепроизводство продукта – в твердую основу гидрогеля, что обеспечивает мобильность и оптимизацию производства. Это первая система на основе гидрогеля, объединяющая как отдельные микробы, так и консорциумы для производства ценного химического сырья, используемого в таких процессах, как производство топлива и фармацевтические препараты.
Продукция может быть изготовлена от пары часов до пары дней.
Команда описывает свой новый подход в феврале. 4 выпуск Nature Communications.
«Мы подошли к ферментации с совершенно иной точки зрения, используя гидрогели», – сказал Альпер, чей исследовательский опыт сосредоточен в области биотехнологии и клеточной инженерии. «Многие химические вещества, топливо, нутрицевтики и фармацевтические препараты, которые мы используем, основаны на традиционной технологии ферментации.
Наша технология устраняет серьезные ограничения в области синтетической биологии и биопереработки, а именно возможность предоставить средства как для производства химикатов и антибиотиков по требованию, так и для многократного использования как из моно-, так и из совместных культур."
В качестве сшитого полимера гидрогель, используемый в этой работе, может быть напечатан на 3D-принтере или экструдирован вручную.
Гелевый материал вместе с клетками внутри может течь как жидкость, а затем затвердевать под воздействием ультрафиолета. Молекулярно образующаяся полимерная сеть достаточно велика, чтобы молекулы и белки могли перемещаться через нее, но пространство слишком мало, чтобы клетки могли просочиться наружу.
Команда также обнаружила, что путем лиофилизации или сублимационной сушки гидрогелевой системы она может эффективно сохранять ферментационную способность биофабрик до тех пор, пока она не понадобится в будущем.
Результат сублимационной сушки чем-то напоминает древнюю мумию, сморщенную, но хорошо сохранившуюся. Чтобы оживить гидрогель и обеспечить производство химического или фармацевтического препарата, нужно просто добавить воду, сахар и / или некоторые другие основные питательные вещества, и тогда клетки превратятся в продукт так же эффективно, как и до процесса консервации.
Одним из новых аспектов, обеспечиваемых этой платформой, является возможность комбинировать несколько различных организмов, называемых консорциумами, вместе таким образом, чтобы превзойти традиционные крупномасштабные биореакторы. В частности, эта система позволяет использовать принцип plug-and-play для комбинирования и оптимизации химического производства. Например, если один набор ферментов лучше всего работает с бактериями E. coli, а другой лучше всего работает с дрожжами S. cerevisiae, два организма могут работать вместе, чтобы более эффективно переходить прямо к продукту. Исследовательская группа проверила оба этих организма.
Эта платформа имеет дополнительное преимущество: многозадачность, разделение разных типов клеток во время их роста, предотвращение захвата одной и уничтожения других. Точно так же, тестируя диапазон температур, команда смогла контролировать динамику системы, поддерживая сбалансированный рост нескольких типов клеток.
Наконец, команда смогла продемонстрировать непрерывное, многократное использование системы (с дрожжевыми клетками) в течение всего года без снижения урожайности, что свидетельствует об устойчивости процесса с течением времени.
Лекарства, такие как антибиотики, имеют определенный срок годности и требуют определенных условий хранения. Переносимость биофабрики для производства этих молекул делает гидрогелевую систему особенно полезной в удаленных местах, без доступа к холодильному оборудованию для хранения лекарств. Это также будет небольшой и компактный способ сохранить доступ к нескольким лекарствам и другим важным химическим веществам, когда нет доступа к аптеке или магазину, например, во время военной миссии или миссии на Марс.
Хотя это еще не все, возможности многообещающие.
«Эта технология может применяться к широкому спектру продуктов и типов ячеек. «Мы видим, что инженеры и ученые могут подключаться и работать с различными консорциумами ячеек для производства разнообразных продуктов, необходимых для конкретного сценария», – сказал Альпер. "Это часть того, что делает эту технологию такой захватывающей."