Onderzoekers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben 3D-geprinte levende cellen die glucose omzetten in ethanol en kooldioxidegas (CO ₂ ), een stof die op bier lijkt, het demonstreren van een technologie die kan leiden tot een hoge biokatalytische efficiëntie.

Het bioprinten van levende zoogdiercellen in complexe 3D-steigers is uitgebreid bestudeerd en gedemonstreerd voor toepassingen variërend van weefselregeneratie tot het ontdekken van geneesmiddelen tot klinische implementatie. Naast zoogdiercellen, er is een groeiende interesse in het printen van functionele microben als biokatalysatoren.

Microben worden in de industrie op grote schaal gebruikt om koolstofbronnen om te zetten in waardevolle eindproductchemicaliën die worden toegepast in de voedingsindustrie, productie van biobrandstoffen, afvalverwerking en bioremediatie. Het gebruik van levende microben in plaats van anorganische katalysatoren heeft voordelen van milde reactieomstandigheden, zelfregeneratie, lage kosten en katalytische specificiteit.

Het nieuwe onderzoek, dat verschijnt als een ACS Editors' Choice-artikel in het tijdschrift Nano-letters , toont aan dat de additieve productie van levende hele cellen kan helpen bij onderzoek naar microbieel gedrag, communicatie, interactie met de micro-omgeving en voor nieuwe bioreactoren met een hoge volumetrische productiviteit.

In een casus, het team drukte gevriesdroogde levende biokatalytische gistcellen (Saccharomyces cerevisiae) in poreuze 3D-structuren. Dankzij de unieke geconstrueerde geometrieën konden de cellen glucose omzetten in ethanol en CO ₂ zeer efficiënt en vergelijkbaar met hoe gist op zichzelf kan worden gebruikt om bier te maken. Mogelijk gemaakt door dit nieuwe bio-inktmateriaal, de gedrukte structuren zijn zelfdragend, met hoge resolutie, afstembare celdichtheden, grote schaal, hoge katalytische activiteit en levensvatbaarheid op lange termijn. Belangrijker, als genetisch gemodificeerde gistcellen worden gebruikt, hoogwaardige geneesmiddelen, Chemicaliën, voedsel en biobrandstoffen kunnen ook worden geproduceerd.

"Vergeleken met tegenhangers van bulkfilm, bedrukte roosters met dunne filamenten en macroporiën stelden ons in staat om een ​​snelle massaoverdracht te bereiken, wat leidde tot een meervoudige toename van de ethanolproductie, " zei LLNL materiaalwetenschapper Fang Qian, de hoofdpersoon en de corresponderende auteur op het papier. "Ons inktsysteem kan worden toegepast op een verscheidenheid aan andere katalytische microben om tegemoet te komen aan brede toepassingsbehoeften. De biogedrukte 3D-geometrieën die in dit werk zijn ontwikkeld, kunnen dienen als een veelzijdig platform voor procesintensificatie van een reeks bioconversieprocessen met behulp van diverse microbiële biokatalysatoren voor productie van hoogwaardige producten of bioremediatietoepassingen."

Andere onderzoekers van Livermore zijn Cheng Zhu, Jennifer Knip, Samantha Ruelas, Joshua Stolaroff, Joshua De Otte, Eric Duos, Christopher Spadaccini en Sarah Baker. Dit werk werd uitgevoerd in samenwerking met het National Renewable Energy Laboratory.

"Er zijn verschillende voordelen aan het immobiliseren van biokatalysatoren, inclusief het mogelijk maken van continue conversieprocessen en het vereenvoudigen van productzuivering, " zei chemicus Baker, de andere corresponderende auteur op het papier. "Deze technologie geeft controle over de celdichtheid, plaatsing en structuur in een levend materiaal. De mogelijkheid om deze eigenschappen af ​​te stemmen kan worden gebruikt om de productiesnelheden en opbrengsten te verbeteren. Verder, materialen die zulke hoge celdichtheden bevatten, kunnen nieuwe, onontdekte gunstige eigenschappen omdat de cellen een groot deel van de materialen uitmaken."

"Dit is de eerste demonstratie voor het 3D-printen van geïmmobiliseerde levende cellen om chemische reactoren te maken, " zei ingenieur Duoss, een co-auteur op het papier. "Deze aanpak belooft de productie van ethanol sneller te maken, goedkoper, schoner en efficiënter. Nu breiden we het concept uit door andere reacties te onderzoeken, inclusief het combineren van geprinte microben met meer traditionele chemische reactoren om 'hybride' of 'tandem'-systemen te creëren die nieuwe mogelijkheden ontsluiten."