3-D-printede levende celler omdanner glucose til ethanol, kuldioxid for at øge den katalytiske effektivitet

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har 3-D printede levende celler, der omdanner glucose til ethanol og kuldioxidgas (CO) ₂ ), et stof, der ligner øl, demonstrerer en teknologi, der kan føre til høj biokatalytisk effektivitet.

Bioprinting af levende pattedyrceller til komplekse 3D-stilladser er blevet bredt undersøgt og demonstreret til anvendelser lige fra vævsregenerering til lægemiddelopdagelse til klinisk implementering. Ud over pattedyrsceller, der er en stigende interesse for at printe funktionelle mikrober som biokatalysatorer.

Mikrober bruges i vid udstrækning i industrien til at omdanne kulstofkilder til værdifulde slutproduktkemikalier, der har anvendelse i fødevareindustrien, produktion af biobrændstof, affaldsbehandling og bioremediering. Brug af levende mikrober i stedet for uorganiske katalysatorer har fordele ved milde reaktionsbetingelser, selvregenerering, lave omkostninger og katalytisk specificitet.

Den nye forskning, som optræder som en ACS Editors' Choice-artikel i tidsskriftet Nano bogstaver , viser, at den additive fremstilling af levende helceller kan hjælpe med forskning i mikrobiel adfærd, meddelelse, interaktion med mikromiljøet og for nye bioreaktorer med høj volumetrisk produktivitet.

I et casestudie, holdet printede frysetørrede levende biokatalytiske gærceller (Saccharomyces cerevisiae) i porøse 3-D strukturer. De unikke konstruerede geometrier gjorde det muligt for cellerne at omdanne glucose til ethanol og CO ₂ meget effektivt og ligner, hvordan gær i sig selv kan bruges til at lave øl. Aktiveret af dette nye bio-blækmateriale, de trykte strukturer er selvbærende, med høj opløsning, afstembare celletætheder, stor skala, høj katalytisk aktivitet og langsigtet levedygtighed. Vigtigere, hvis der anvendes genetisk modificerede gærceller, høj værdifulde lægemidler, kemikalier, fødevarer og biobrændstoffer kan også produceres.

"Sammenlignet med bulkfilm modstykker, trykte gitter med tynde filamenter og makroporer gjorde det muligt for os at opnå hurtig masseoverførsel, hvilket førte til flere gange øget ethanolproduktion, " sagde LLNL-materialeforsker Fang Qian, hovedpersonen og den tilsvarende forfatter på papiret. "Vores blæksystem kan anvendes på en række andre katalytiske mikrober for at imødekomme brede anvendelsesbehov. De bioprintede 3D-geometrier, der er udviklet i dette arbejde, kan tjene som en alsidig platform til procesintensivering af en række biokonverteringsprocesser ved hjælp af forskellige mikrobielle biokatalysatorer til produktion af højværdiprodukter eller bioremedieringsapplikationer."

Andre Livermore-forskere inkluderer Cheng Zhu, Jennifer Knipe, Samantha Ruelas, Joshua Stolaroff, Joshua DeOtte, Eric Duoss, Christopher Spadaccini og Sarah Baker. Dette arbejde blev udført i samarbejde med National Renewable Energy Laboratory.

"Der er flere fordele ved at immobilisere biokatalysatorer, herunder tillade kontinuerlige konverteringsprocesser og forenkling af produktrensning, " sagde kemiker Baker, den anden tilsvarende forfatter på papiret. "Denne teknologi giver kontrol over celletæthed, placering og struktur i et levende materiale. Evnen til at tune disse egenskaber kan bruges til at forbedre produktionshastigheder og udbytte. Desuden, materialer, der indeholder så høje celletætheder, kan påtage sig nye, uudforskede gavnlige egenskaber, fordi cellerne udgør en stor del af materialerne."

"Dette er den første demonstration for 3-D-printning af immobiliserede levende celler for at skabe kemiske reaktorer, " sagde ingeniør Duoss, en medforfatter på papiret. "Denne tilgang lover at gøre ethanolproduktion hurtigere, billigere, renere og mere effektivt. Nu udvider vi konceptet ved at udforske andre reaktioner, herunder at kombinere trykte mikrober med mere traditionelle kemiske reaktorer for at skabe 'hybride' eller 'tandem' systemer, der låser op for nye muligheder."