Ett team av kemiingenjörer har utvecklat ett nytt sätt att producera mediciner och kemikalier på begäran och konservera dem med hjälp av bärbara "biofabriker" inbäddade i vattenbaserade geler som kallas hydrogeler. Tillvägagångssättet kan hjälpa människor i avlägsna byar eller på militära uppdrag, där frånvaron av apotek, läkarmottagningar eller till och med grundläggande kylning gör det svårt att komma åt kritiska läkemedel, dagligt använda kemikalier och andra småmolekylära föreningar.

Leds av Hal Alper, professor vid University of Texas vid Austin's Cockrell School of Engineering, i samarbete med kemisten Alshakim Nelson och hans forskargrupp vid University of Washington, detta första system i sitt slag bäddar effektivt in mikrobiella biofabriker - celler som är biokonstruerade för att överproducera en produkt - i det fasta underlaget av en hydrogel, möjliggör portabilitet och optimerad produktion. Det är det första hydrogelbaserade systemet som organiserar både individuella mikrober och konsortier för aktuell produktion av högvärdiga kemiska råvaror, används för processer som bränsleproduktion, och läkemedel. Produkter kan produceras inom ett par timmar till ett par dagar.

Teamet beskriver sitt nya tillvägagångssätt i numret 4 februari av Naturkommunikation .

"Vi har tagit en helt annan vinkel för jäsning genom att använda hydrogeler, sa Alper, vars forskningsexpertis är inriktad på bioteknik och cellulär teknik. "Många av kemikalierna, bränslen, Nutraceuticals och läkemedel vi använder bygger på traditionell jäsningsteknik. Vår teknologi adresserar en stark begränsning inom områdena syntetisk biologi och bioprocessning, nämligen förmågan att tillhandahålla ett sätt för både efterfrågan och upprepad produktion av kemikalier och antibiotika från både mono- och samkulturer."

Som en tvärbunden polymer, hydrogelen som används i detta arbete kan vara 3-D-printad eller manuellt extruderad. Gelmaterialet, tillsammans med cellerna inuti, kan flyta som en vätska och sedan hårdna vid exponering för UV-ljus. Molekylärt, det resulterande polymernätverket är tillräckligt stort för att molekyler och proteiner ska kunna röra sig genom det, men utrymmet är för litet för att celler ska kunna läcka ut.

Teamet fann också att genom lyofilisering, eller frystorkning, hydrogelsystemet, det kan effektivt bevara biofabrikernas jäsningskapacitet tills det behövs i framtiden. Resultatet av frystorkningen påminner något om en gammal mumie, skrumpna men välbevarade. För att återuppliva hydrogelen och möjliggöra produktionen av kemikalien eller läkemedlet, man skulle helt enkelt lägga till vatten, socker och/eller andra grundläggande näringsämnen, och cellerna kommer sedan att omvandlas till produkten lika effektivt som före konserveringsprocessen.

En av de nya aspekterna som möjliggörs av denna plattform är förmågan att kombinera flera olika organismer, kallas konsortier, tillsammans på ett sätt som överträffar traditionella, storskaliga bioreaktorer. Särskilt, detta system möjliggör en plug-and-play-strategi för att kombinera och optimera kemisk produktion. Till exempel, om en uppsättning enzymer fungerar bäst i bakterien E. coli, medan den andra fungerar bäst i jästen S. cerevisiae, de två organismerna kan arbeta tillsammans för att mer effektivt gå direkt till produkten. Forskargruppen testade båda dessa organismer.

Denna plattform har den extra fördelen av multitasking, hålla olika typer av celler åtskilda medan de växer, hindra en från att ta över och döda de andra. Likaså, genom att testa en rad temperaturer, teamet kunde kontrollera dynamiken i systemet, hålla tillväxten av flera celltyper balanserad.

Till sist, laget kunde visa kontinuerligt, upprepad användning av systemet (med jästceller) under loppet av ett helt år utan minskning av skörden, indikerar processens hållbarhet över tid.

Läkemedel som antibiotika har en viss hållbarhet och kräver särskilda förvaringsförhållanden. Biofabrikens bärbarhet för att tillverka dessa molekyler gör hydrogelsystemet särskilt användbart på avlägsna platser, utan tillgång till kyl för att lagra mediciner. Det skulle också vara ett litet och kompakt sätt att behålla tillgången till flera mediciner och andra viktiga kemikalier när det inte finns tillgång till ett apotek eller en butik, som under ett militärt uppdrag eller ett uppdrag till Mars. Även om inte riktigt där än, möjligheterna är lovande.

"Denna teknik kan tillämpas på ett brett utbud av produkter och celltyper. Vi ser ingenjörer och forskare som kan plug and play med olika konsortier av celler för att producera olika produkter som behövs för ett specifikt scenario, ", sa Alper. "Det är en del av det som gör den här tekniken så spännande."