Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har 3-D-tryckta levande celler som omvandlar glukos till etanol och koldioxidgas (CO) ₂ ), ett ämne som liknar öl, demonstrerar en teknik som kan leda till hög biokatalytisk effektivitet.

Bioprinting av levande däggdjursceller till komplexa 3D-ställningar har studerats och demonstrerats i stor omfattning för tillämpningar som sträcker sig från vävnadsregenerering till läkemedelsupptäckt till klinisk implementering. Förutom däggdjursceller, det finns ett växande intresse för att skriva ut funktionella mikrober som biokatalysatorer.

Mikrober används i stor utsträckning inom industrin för att omvandla kolkällor till värdefulla slutproduktkemikalier som har tillämpningar inom livsmedelsindustrin, produktion av biobränsle, avfallsbehandling och biosanering. Att använda levande mikrober istället för oorganiska katalysatorer har fördelarna med milda reaktionsförhållanden, självförnyelse, låg kostnad och katalytisk specificitet.

Den nya forskningen, som visas som en ACS Editors' Choice-artikel i tidskriften Nanobokstäver , visar att additiv tillverkning av levande helceller kan hjälpa till med forskning om mikrobiellt beteende, kommunikation, interaktion med mikromiljön och för nya bioreaktorer med hög volymetrisk produktivitet.

I en fallstudie, teamet tryckte frystorkade levande biokatalytiska jästceller (Saccharomyces cerevisiae) i porösa 3D-strukturer. De unika konstruerade geometrierna gjorde det möjligt för cellerna att omvandla glukos till etanol och CO ₂ mycket effektivt och liknar hur jäst på egen hand kan användas för att göra öl. Aktiverad av detta nya biobläckmaterial, de tryckta strukturerna är självbärande, med hög upplösning, avstämbara celldensiteter, stor skala, hög katalytisk aktivitet och långsiktig livskraft. Mer viktigt, om genetiskt modifierade jästceller används, högt värdefulla läkemedel, kemikalier, livsmedel och biobränslen kan också produceras.

"Jämfört med bulkfilmsmotsvarigheter, tryckta galler med tunna filament och makroporer gjorde att vi kunde uppnå snabb massöverföring vilket ledde till en mångfaldig ökning av etanolproduktionen, " sa LLNL materialforskare Fang Qian, huvudansvarig och motsvarande författare på tidningen. "Vårt bläcksystem kan appliceras på en mängd andra katalytiska mikrober för att tillgodose breda applikationsbehov. De biotryckta 3D-geometrierna som utvecklats i detta arbete kan fungera som en mångsidig plattform för processintensivering av en rad biokonverteringsprocesser med användning av olika mikrobiella biokatalysatorer för produktion av högvärdiga produkter eller biosaneringstillämpningar."

Andra Livermore-forskare inkluderar Cheng Zhu, Jennifer Knipe, Samantha Ruelas, Joshua Stolaroff, Joshua DeOtte, Eric Duoss, Christopher Spadaccini och Sarah Baker. Detta arbete utfördes i samarbete med National Renewable Energy Laboratory.

"Det finns flera fördelar med att immobilisera biokatalysatorer, inklusive att tillåta kontinuerliga omvandlingsprocesser och förenkla produktrening, sa kemisten Baker, den andra motsvarande författaren på tidningen. "Denna teknik ger kontroll över celldensitet, placering och struktur i ett levande material. Möjligheten att justera dessa egenskaper kan användas för att förbättra produktionshastigheter och avkastning. Vidare, material som innehåller så höga celldensiteter kan ta nya, outforskade fördelaktiga egenskaper eftersom cellerna utgör en stor del av materialen."

"Detta är den första demonstrationen för 3D-utskrift av immobiliserade levande celler för att skapa kemiska reaktorer, sa ingenjör Duoss, en medförfattare på tidningen. "Det här tillvägagångssättet lovar att göra etanolproduktionen snabbare, billigare, renare och effektivare. Nu utökar vi konceptet genom att utforska andra reaktioner, inklusive att kombinera tryckta mikrober med mer traditionella kemiska reaktorer för att skapa "hybrid" eller "tandem" system som låser upp nya möjligheter."