Un team di ingegneri chimici ha sviluppato un nuovo modo per produrre medicinali e sostanze chimiche su richiesta e conservarli utilizzando "biofabbriche" portatili incorporate in gel a base d'acqua chiamati idrogel. L'approccio potrebbe aiutare le persone in villaggi remoti o in missioni militari, dove l'assenza di farmacie, studi medici o anche la refrigerazione di base rende difficile l'accesso a farmaci critici, uso quotidiano di sostanze chimiche e altri composti a piccole molecole.

Guidati da Hal Alper, professore all'Università del Texas presso la Cockrell School of Engineering di Austin, in collaborazione con il chimico Alshakim Nelson e il suo gruppo di ricerca presso l'Università di Washington, questo sistema unico nel suo genere incorpora efficacemente biofabbriche microbiche, cellule bioingegnerizzate per produrre un prodotto in eccesso, nel supporto solido di un idrogel, consentendo la portabilità e la produzione ottimizzata. È il primo sistema basato su idrogel per organizzare sia i singoli microbi che i consorzi per la produzione in tempo reale di materie prime chimiche di alto valore, utilizzato per processi come la produzione di carburante, e farmaceutici. I prodotti possono essere prodotti in un paio d'ore a un paio di giorni.

Il team descrive il loro nuovo approccio nel numero del 4 febbraio di Comunicazioni sulla natura .

"Abbiamo adottato una prospettiva completamente diversa per la fermentazione utilizzando idrogel, " disse Alper, la cui esperienza di ricerca è focalizzata sulla biotecnologia e sull'ingegneria cellulare. "Molte delle sostanze chimiche, combustibili, i nutraceutici e i prodotti farmaceutici che utilizziamo si basano sulla tecnologia di fermentazione tradizionale. La nostra tecnologia affronta una forte limitazione nei campi della biologia sintetica e dei bioprocessi, vale a dire la capacità di fornire un mezzo per la produzione sia su richiesta che per uso ripetuto di sostanze chimiche e antibiotici sia da mono- che da co-colture".

Come un polimero reticolato, l'idrogel utilizzato in questo lavoro può essere stampato in 3D o estruso manualmente. Il materiale in gel, insieme alle cellule all'interno, può fluire come un liquido e poi indurirsi dopo l'esposizione alla luce UV. Molecolarmente, la rete polimerica risultante è abbastanza grande da consentire alle molecole e alle proteine ​​di muoversi attraverso di essa, ma lo spazio è troppo piccolo perché le cellule possano fuoriuscire.

Il team ha anche scoperto che liofilizzando, o liofilizzazione, il sistema idrogel, può preservare efficacemente la capacità di fermentazione delle biofabbriche fino a quando non sarà necessario in futuro. Il risultato della liofilizzazione ricorda in qualche modo un'antica mummia, avvizzito ma ben conservato. Per ravvivare l'idrogel e consentire la produzione del prodotto chimico o farmaceutico, si aggiungerebbe semplicemente acqua, zucchero e/o altri nutrienti di base, e le cellule si convertiranno quindi nel prodotto con la stessa efficacia di prima del processo di conservazione.

Uno dei nuovi aspetti abilitati da questa piattaforma è la capacità di combinare più organismi diversi, chiamati consorzi, insieme in un modo che supera le prestazioni tradizionali, bioreattori su larga scala. In particolare, questo sistema consente un approccio plug-and-play per combinare e ottimizzare la produzione chimica. Per esempio, se un insieme di enzimi funziona meglio nei batteri E. coli, mentre l'altro funziona meglio nel lievito S. cerevisiae, i due organismi possono lavorare insieme per andare in modo più efficiente direttamente al prodotto. Il team di ricerca ha testato entrambi questi organismi.

Questa piattaforma ha l'ulteriore vantaggio del multitasking, mantenendo diversi tipi di cellule separate mentre crescono, impedendo che uno prenda il sopravvento e uccida gli altri. Allo stesso modo, testando una gamma di temperature, il team è stato in grado di controllare la dinamica del sistema, mantenere equilibrata la crescita di più tipi di cellule.

Finalmente, la squadra è stata in grado di mostrare continua, uso ripetuto del sistema (con cellule di lievito) nel corso di un intero anno senza diminuzione delle rese, indicando la sostenibilità del processo nel tempo.

I medicinali come gli antibiotici hanno una certa durata e richiedono particolari condizioni di conservazione. La portabilità della biofabbrica per realizzare queste molecole rende il sistema idrogel particolarmente utile in luoghi remoti, senza accesso al frigorifero per conservare i farmaci. Sarebbe anche un modo piccolo e compatto per mantenere l'accesso a diversi farmaci e altri prodotti chimici essenziali quando non c'è accesso a una farmacia o a un negozio, come durante una missione militare o una missione su Marte. Anche se non ci siamo ancora, le possibilità sono promettenti.

"Questa tecnologia può essere applicata a un'ampia gamma di prodotti e tipi di celle. Vediamo ingegneri e scienziati in grado di collegare e giocare con diversi consorzi di celle per produrre diversi prodotti necessari per uno scenario specifico, " Ha detto Alper. "Questo fa parte di ciò che rende questa tecnologia così eccitante".