Een team van chemische ingenieurs heeft een nieuwe manier ontwikkeld om medicijnen en chemicaliën op aanvraag te produceren en ze te bewaren met behulp van draagbare "biofabrieken" die zijn ingebed in op water gebaseerde gels, hydrogels genaamd. De aanpak zou mensen in afgelegen dorpen of op militaire missies kunnen helpen, waar de afwezigheid van apotheken, dokterspraktijken of zelfs elementaire koeling maakt het moeilijk om toegang te krijgen tot kritieke medicijnen, dagelijks gebruik chemicaliën en andere kleine molecuul verbindingen.

Onder leiding van Hal Alper, professor aan de Universiteit van Texas aan de Cockrell School of Engineering in Austin, in samenwerking met chemicus Alshakim Nelson en zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Washington, dit eerste-van-zijn-soort systeem integreert effectief microbiële biofactoren - cellen die zijn ontwikkeld om een ​​product te overproduceren - in de vaste drager van een hydrogel, waardoor draagbaarheid en geoptimaliseerde productie mogelijk is. Het is het eerste op hydrogel gebaseerde systeem dat zowel individuele microben als consortia organiseert voor de onmiddellijke productie van hoogwaardige chemische grondstoffen, gebruikt voor processen zoals brandstofproductie, en geneesmiddelen. Producten kunnen binnen een paar uur tot een paar dagen worden geproduceerd.

Het team beschrijft hun nieuwe aanpak in het nummer van 4 februari van: Natuurcommunicatie .

"We hebben een heel andere invalshoek genomen voor fermentatie door hydrogels te gebruiken, " zei Alper, wiens onderzoeksexpertise is gericht op biotechnologie en cellulaire engineering. "Veel van de chemicaliën, brandstoffen, nutraceuticals en farmaceutische producten die we gebruiken, vertrouwen op traditionele fermentatietechnologie. Onze technologie pakt een sterke beperking aan op het gebied van synthetische biologie en bioprocessing, namelijk het vermogen om een ​​middel te bieden voor zowel on-demand als herhaald gebruik van chemicaliën en antibiotica uit zowel mono- als co-culturen."

Als een verknoopt polymeer, de hydrogel die in dit werk wordt gebruikt, kan 3D-geprint of handmatig worden geëxtrudeerd. Het gelmateriaal, samen met de cellen erin, kan vloeien als een vloeistof en vervolgens uitharden bij blootstelling aan UV-licht. moleculair, het resulterende polymeernetwerk is groot genoeg voor moleculen en eiwitten om er doorheen te bewegen, maar de ruimte is te klein om cellen te laten lekken.

Het team ontdekte ook dat door vriesdrogen, of vriesdrogen, het hydrogelsysteem, het kan de fermentatiecapaciteit van de biofabrieken effectief behouden tot ze in de toekomst nodig zijn. Het resultaat van het vriesdrogen lijkt enigszins op een oude mummie, verschrompeld maar goed bewaard gebleven. Om de hydrogel nieuw leven in te blazen en de productie van de chemische of farmaceutische stof mogelijk te maken, men zou gewoon water toevoegen, suiker en/of andere basisvoedingsstoffen, en de cellen zullen dan net zo effectief in het product worden omgezet als vóór het conserveringsproces.

Een van de nieuwe aspecten die dit platform mogelijk maakt, is de mogelijkheid om meerdere verschillende organismen te combineren, consortia genoemd, samen op een manier die beter presteert dan traditionele, grootschalige bioreactoren. Vooral, dit systeem maakt een plug-and-play-aanpak mogelijk om de chemische productie te combineren en te optimaliseren. Bijvoorbeeld, als één set enzymen het beste werkt in de bacterie E. coli, terwijl de andere het beste werkt in de gist S. cerevisiae, de twee organismen kunnen samenwerken om efficiënter rechtstreeks naar het product te gaan. Het onderzoeksteam testte beide organismen.

Dit platform heeft het extra voordeel van multitasking, verschillende soorten cellen gescheiden houden terwijl ze groeien, voorkomen dat de een het overneemt en de anderen vermoordt. Hetzelfde, door verschillende temperaturen te testen, het team was in staat om de dynamiek van het systeem te beheersen, het in evenwicht houden van de groei van meerdere celtypes.

Eindelijk, het team kon continu laten zien, herhaald gebruik van het systeem (met gistcellen) gedurende een heel jaar zonder opbrengstdaling, om de duurzaamheid van het proces in de tijd aan te geven.

Geneesmiddelen zoals antibiotica hebben een bepaalde houdbaarheid en vereisen bepaalde bewaarcondities. De draagbaarheid van de biofabriek om deze moleculen te maken, maakt het hydrogelsysteem bijzonder nuttig op afgelegen plaatsen, zonder toegang tot koeling om medicijnen op te slaan. Het zou ook een kleine en compacte manier zijn om toegang te houden tot verschillende medicijnen en andere essentiële chemicaliën wanneer er geen toegang is tot een apotheek of een winkel, zoals tijdens een militaire missie of een missie naar Mars. Hoewel het er nog niet helemaal is, de mogelijkheden zijn veelbelovend.

"Deze technologie kan worden toegepast op een breed scala aan producten en celtypen. We zien dat ingenieurs en wetenschappers plug-and-play kunnen zijn met verschillende consortia van cellen om diverse producten te produceren die nodig zijn voor een specifiek scenario, "Zei Alper. "Dat is een deel van wat deze technologie zo opwindend maakt."