Bioreaktorer på en chip fornyer løfter om algebiobrændstoffer

I over et årti, virksomheder har lovet en fremtid med vedvarende brændstof fra alger. Investorer, der er interesseret i at flytte verden væk fra fossilt brændstof, har bidraget med hundredvis af millioner af dollars til indsatsen, og med god grund. Alger formerer sig hurtigt, kræver lidt mere end vand og sollys for at akkumulere til enorme mængder, som derefter omdanner atmosfærisk CO ₂ til lipider (olier), der kan høstes og let forarbejdes til biodiesel.

På trods af højprofilerede demonstrationer, løfter er kommet til kort, og nystartede virksomheder har revideret forretningsmodeller til at omfatte produktion af speciallipider, såsom dem, der bruges i kosmetik og sæber. Alligevel består drømmen om at producere vedvarende energi i kommerciel skala, efterhånden som nye teknologier dukker op, som endelig kan føre algebiobrændstoffer mod en konkurrencedygtig niche på markedet.

En af mange forbedringer, der er nødvendige for bæredygtig produktion af algebiobrændstof, er udviklingen af ​​bedre alger. Denne uge, forskere fra Boyce Thompson Institute og Texas A&M University rapporterer i Anlæg direkte spændende ny teknologi, der kan revolutionere søgen efter den perfekte algestamme:Algedråbebioreaktorer på en chip.

En enkelt algecelle fanges i en lille dråbe vand indkapslet af olie - forestil dig de små dråber, der dannes, når du blander vegetabilsk olie med vand - så klemmer millioner af algedråber sig på en chip på størrelse med en fjerdedel. Hver dråbe er en mikro-bioreaktor, et stærkt kontrolleret miljø, hvor algeceller kan vokse og replikere i flere dage, danner en genetisk homogen koloni, der gennemgår sine typiske biologiske reaktioner, herunder produktion af lipider.

"Dette er det første mikrosystem, der tillader både lipidindholdsanalyse og væksthastighedsmåling ved høj gennemstrømning, hvorimod tidligere arbejde kun kunne udføre det ene eller det andet, " bemærkede senior forfatter og ingeniør, Arum Han fra Texas A&M University.

Forskere ræser for at identificere en superalgestamme, der kan formere sig hurtigere og producere mere lipid pr. celle. Den her sommer, ExxonMobil annoncerede opdagelsen af ​​en stamme med en enkelt genetisk modifikation, der giver mulighed for dobbelt så meget lipidproduktion pr. celle. Men dette er kun et skridt i den rigtige retning, da tusindvis af gener rummer potentiale til yderligere at forbedre begge egenskaber.

Med nutidens genredigeringsteknologier, at modificere algegener kan være relativt ligetil; imidlertid, Det er tidskrævende og dyrt at identificere, hvilke gener der skal målrettes mod. At udsætte en algekultur for et mutagen giver millioner af unikke, potentielt forbedrede algeceller, der hver skal testes for ekspression af en ønsket egenskab, såsom øget lipidproduktion. Muterede gener kan derefter identificeres gennem hel-genom-sekventering.

"Det vigtige er at udvikle et værktøj, der kan screene millioner af celler i en meget kortere tidsramme og et mindre rum. I en chip, der rummer millioner af dråber af celler, hver dråbe er som en kolbe eller en bioreaktor, og det er sådan, vi kan få resultater hurtigere fra blot en lille chip, " forklarede forfatter og BTI post-doc, Shih-Chi Hsu.

Forskerne validerede først chipsystemet med alger, der vides at vokse hurtigere eller langsommere, eller producere mere eller mindre lipid. De screenede derefter 200, 000 kemisk muterede celler, identifikation af seks mutanter med både hurtigere vækst og højere lipidindhold. Screeningen, udført på chip, bruger fluorescensdetektion af klorofyl, repræsenterer den samlede cellemasse, og BODIPY, et fluorescerende molekyle, der binder til lipider. Alle mutanter med potentiale for forbedret vækst eller lipidproduktion blev genvundet og verificeret off-chip.

Selvom resultaterne af denne undersøgelse er lovende, 200, 000 er stadig et lavt antal mutanter sammenlignet med, hvad der er nødvendigt for at finde den superalgestamme. "De mest ekstraordinære varianter vil blive fundet i en ud af en million, eller ti millioner, så gennemløbet skal accelereres, " forklarede seniorbiolog og BTI-præsident, David Stern.

Spændende nok, værktøjerne til at forbedre gennemstrømningen er allerede under udvikling, inklusive større chips, der kan screene millioner af dråber i ét eksperiment. "Sådanne højkapacitetsteknologier kan hurtigt accelerere udviklingsprocessen for at opnå stammer, der er mere effektive til brug i biobrændstofproduktion, " bemærkede Han.

Med opdagelsen og udviklingen af ​​meget mere effektive algestammer, kommerciel produktion af biobrændstof fra alger kan endelig være et realistisk løfte.