Første af sin art hydrogel-platform muliggør on-demand produktion af medicin, kemikalier

Et team af kemiske ingeniører har udviklet en ny måde at producere medicin og kemikalier efter behov og bevare dem ved hjælp af bærbare "biofabrikker" indlejret i vandbaserede geler kaldet hydrogeler. Fremgangsmåden kunne hjælpe mennesker i fjerntliggende landsbyer eller på militære missioner, hvor fraværet af apoteker, lægekontorer eller endda grundlæggende køling gør det svært at få adgang til kritiske lægemidler, daglig brug af kemikalier og andre småmolekyleforbindelser.

Anført af Hal Alper, professor ved University of Texas ved Austin's Cockrell School of Engineering, i samarbejde med kemiker Alshakim Nelson og hans forskningsgruppe ved University of Washington, dette første af sin slags system indlejrer effektivt mikrobielle biofabrikker-celler, der er biotekniske til at overproducere et produkt-i den solide understøtning af en hydrogel, muliggør transportabilitet og optimeret produktion. Det er det første hydrogelbaserede system, der organiserer både individuelle mikrober og konsortier til produktion i øjeblikket af kemiske råvarer af høj værdi, bruges til processer såsom brændstofproduktion, og lægemidler. Produkter kan produceres inden for et par timer til et par dage.

Holdet beskriver deres nye tilgang i 4. februar -udgaven af Naturkommunikation .

"Vi har taget en helt anden vinkel for gæring ved at bruge hydrogeler, sagde Alper, hvis forskningskompetence er fokuseret inden for bioteknologi og celleteknik. "Mange af kemikalierne, brændstoffer, nutraceutika og lægemidler, vi bruger, er afhængige af traditionel gæringsteknologi. Vores teknologi adresserer en stærk begrænsning inden for syntetisk biologi og bioforarbejdning, nemlig evnen til at tilvejebringe et middel til både on-demand og gentagen produktion af kemikalier og antibiotika fra både mono- og co-kulturer. "

Som en tværbundet polymer, hydrogel, der bruges i dette arbejde, kan være 3D-trykt eller ekstruderet manuelt. Gelmaterialet, sammen med cellerne indeni, kan flyde som en væske og derefter hærde ved udsættelse for UV -lys. Molekylært, det resulterende polymernetværk er stort nok til at molekyler og proteiner kan bevæge sig igennem det, men pladsen er for lille til, at celler kan lække ud.

Holdet fandt også, at ved lyofilisering, eller frysetørring, hydrogel -systemet, det kan effektivt bevare biofabrikkernes gæringskapacitet, indtil det er nødvendigt i fremtiden. Resultatet af frysetørringen ligner noget en gammel mumie, skrumpet op men velbevaret. For at genoplive hydrogel og muliggøre produktion af kemikalier eller lægemidler, man ville simpelthen tilføje vand, sukker og/eller andre grundlæggende næringsstoffer, og cellerne vil derefter konvertere til produktet lige så effektivt som før konserveringsprocessen.

Et af de nye aspekter, som denne platform muliggør, er evnen til at kombinere flere forskellige organismer, kaldet konsortier, sammen på en måde, der overgår det traditionelle, store bioreaktorer. I særdeleshed, dette system muliggør en plug-and-play tilgang til kombination og optimering af kemisk produktion. For eksempel, hvis et sæt enzymer fungerer bedst i bakterierne E. coli, mens den anden fungerer bedst i gæren S. cerevisiae, de to organismer kan arbejde sammen for mere effektivt at gå direkte til produktet. Forskergruppen testede begge disse organismer.

Denne platform har den ekstra fordel ved multitasking, holde forskellige celletyper adskilt, mens de vokser, forhindre en i at overtage og dræbe de andre. Ligeledes, ved at teste en række temperaturer, holdet var i stand til at kontrollere systemets dynamik, holde væksten af ​​flere celletyper afbalanceret.

Endelig, holdet var i stand til at vise kontinuerlig, gentagen brug af systemet (med gærceller) i løbet af et helt år uden fald i udbytter, angiver procesens bæredygtighed over tid.

Lægemidler som antibiotika har en vis holdbarhed og kræver særlige opbevaringsbetingelser. Biofaktoriens bærbarhed til at fremstille disse molekyler gør hydrogelsystemet særlig nyttigt fjerntliggende steder, uden adgang til køling til opbevaring af medicin. Det ville også være en lille og kompakt måde at opretholde adgangen til flere lægemidler og andre essentielle kemikalier, når der ikke er adgang til et apotek eller en butik, som under en militær mission eller en mission til Mars. Selvom den ikke er der endnu, mulighederne er lovende.

"Denne teknologi kan anvendes på en lang række produkter og celletyper. Vi ser ingeniører og forskere være i stand til at tilslutte og spille med forskellige konsortier af celler for at producere forskellige produkter, der er nødvendige for et specifikt scenario, "Alper sagde." Det er en del af det, der gør denne teknologi så spændende. "