I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno cellule vive stampate in 3D che convertono il glucosio in etanolo e anidride carbonica (CO ₂ ), una sostanza che somiglia alla birra, dimostrando una tecnologia che può portare a un'elevata efficienza biocatalitica.

La biostampa di cellule di mammifero viventi in scaffold 3D complessi è stata ampiamente studiata e dimostrata per applicazioni che vanno dalla rigenerazione dei tessuti alla scoperta di farmaci fino all'implementazione clinica. Oltre alle cellule di mammifero, c'è un crescente interesse nella stampa di microbi funzionali come biocatalizzatori.

I microbi sono ampiamente utilizzati nell'industria per convertire le fonti di carbonio in preziose sostanze chimiche del prodotto finale che hanno applicazioni nell'industria alimentare, produzione di biocarburanti, trattamento dei rifiuti e biorisanamento. L'uso di microbi vivi invece di catalizzatori inorganici presenta i vantaggi di condizioni di reazione blande, autorigenerazione, basso costo e specificità catalitica.

La nuova ricerca, che appare come un articolo ACS Editors' Choice nella rivista Nano lettere , mostra che la produzione additiva di cellule intere vive può aiutare nella ricerca sui comportamenti microbici, comunicazione, interazione con il microambiente e per nuovi bioreattori ad alta produttività volumetrica.

In un caso di studio, il team ha stampato cellule di lievito biocatalitiche vive liofilizzate (Saccharomyces cerevisiae) in strutture 3D porose. Le esclusive geometrie ingegnerizzate hanno permesso alle cellule di convertire il glucosio in etanolo e CO ₂ molto efficiente e simile a come il lievito da solo può essere usato per fare la birra. Abilitato da questo nuovo materiale bio-inchiostro, le strutture stampate sono autoportanti, ad alta risoluzione, densità cellulari sintonizzabili, su larga scala, elevata attività catalitica e vitalità a lungo termine. Ma ancora più importante, se si utilizzano cellule di lievito geneticamente modificate, prodotti farmaceutici di alto valore, sostanze chimiche, possono essere prodotti anche cibo e biocarburanti.

"Rispetto alle controparti di film sfusi, reticoli stampati con filamenti sottili e macropori ci hanno permesso di ottenere un rapido trasferimento di massa che porta ad un aumento di diverse volte nella produzione di etanolo, " ha detto lo scienziato dei materiali LLNL Fang Qian, il principale e l'autore corrispondente sul documento. "Il nostro sistema di inchiostro può essere applicato a una varietà di altri microbi catalitici per soddisfare ampie esigenze applicative. Le geometrie 3D biostampate sviluppate in questo lavoro potrebbero fungere da piattaforma versatile per l'intensificazione del processo di una serie di processi di bioconversione utilizzando diversi biocatalizzatori microbici per produzione di prodotti di alto valore o applicazioni di biorisanamento".

Altri ricercatori di Livermore includono Cheng Zhu, Jennifer Knipe, Samantha Ruelas, Joshua Stolaroff, Joshua De Otte, Eric Duos, Christopher Spadaccini e Sarah Baker. Questo lavoro è stato condotto in collaborazione con il National Renewable Energy Laboratory.

"Ci sono diversi vantaggi nell'immobilizzare i biocatalizzatori, compreso consentire processi di conversione continui e semplificare la purificazione del prodotto, " disse il chimico Baker, l'altro autore corrispondente sulla carta. "Questa tecnologia dà il controllo sulla densità cellulare, collocazione e struttura in un materiale vivo. La capacità di mettere a punto queste proprietà può essere utilizzata per migliorare i tassi di produzione e le rese. Per di più, materiali contenenti densità cellulari così elevate possono assumere nuovi, proprietà benefiche inesplorate perché le cellule comprendono una grande frazione dei materiali".

"Questa è la prima dimostrazione della stampa 3D di cellule vive immobilizzate per creare reattori chimici, " disse l'ingegnere Duoss, un coautore sulla carta. "Questo approccio promette di velocizzare la produzione di etanolo, più economico, più pulito ed efficiente. Ora stiamo estendendo il concetto esplorando altre reazioni, compresa la combinazione di microbi stampati con reattori chimici più tradizionali per creare sistemi "ibridi" o "tandem" che aprono nuove possibilità".