Производство высокоэнергетических жиров микроводорослями может стать устойчивым возобновляемым источником энергии, который поможет справиться с изменением климата. Однако микроводоросли, созданные для быстрого производства липидов, обычно сами растут медленно, что затрудняет увеличение общей урожайности.
Биоинженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создали новый тип чашек Петри в виде микроскопических проницаемых частиц, которые могут значительно ускорить сроки исследований и разработок (НИОКР) биологических продуктов, таких как жирные кислоты для биотоплива. Пиколитр (триллионная часть литра), пористые гидрогелевые частицы, получившие название PicoShell, позволяют разделить более одного миллиона отдельных клеток, культивировать их в производственной среде и отбирать на основе признаков роста и накопления биомассы с использованием стандартного оборудования для обработки клеток..
Proceedings of the National Academy of Sciences недавно опубликовала исследование, подробно описывающее работу PicoShell и их потенциальное применение.
PicoShells состоят из полой внутренней полости, в которой инкапсулированы клетки, и пористой внешней оболочки, которая обеспечивает непрерывный обмен раствором с внешней средой, так что питательные вещества, молекулы клеточных коммуникаций и цитотоксические клеточные побочные продукты могут свободно перемещаться внутрь и наружу. внутренняя полость. Оболочка также удерживает небольшие группы растущих клеток в замкнутом пространстве, позволяя исследователям изучать и сравнивать их поведение - что они делают, как быстро растут, что производят - с поведением других групп внутри различных оболочек PicoShell.
Этот новый класс лабораторных инструментов позволяет исследователям выращивать живые одноклеточные микроорганизмы, включая водоросли, грибы и бактерии, в тех же условиях промышленного производства, например, в биореакторе, заполненном сточными водами, или в пруду для культивирования на открытом воздухе..
"PicoShells похожи на очень крошечные сетчатые воздушные шары. Растущие клетки внутри них эффективно огорожены, но не изолированы", - сказали руководитель исследования Дино Ди Карло, Армонд из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, и Елена Хайрапетян, профессор инженерии и медицины в Калифорнийском университете в Самуэли. Инженерная школа. «С помощью этого нового инструмента мы теперь можем изучать индивидуальное поведение миллионов живых клеток в соответствующей среде. Это может сократить сроки от исследований и разработок до коммерческого производства биопродуктов с нескольких лет до нескольких месяцев. PicoShells также может быть ценным инструмент для изучения фундаментальной биологии."
Проницаемость PicoShells может перенести лабораторию в промышленную среду, позволяя проводить испытания в отделенной части рабочего объекта. Рост может происходить быстрее, а штаммы клеток с хорошими показателями могут быть идентифицированы и отобраны для дальнейшего скрининга.
По словам исследователей, еще одним преимуществом этого нового инструмента является то, что анализ миллионов PicoShell автоматизирован, поскольку они также совместимы со стандартным лабораторным оборудованием, используемым для обработки больших объемов клеток.
Огромные группы клеток, до 10 миллионов в день, можно сортировать и организовывать по определенным характеристикам. Непрерывный анализ может привести к созданию идеальных наборов клеток - тех, которые уже хорошо работают в среде с подходящей температурой, составом питательных веществ и другими свойствами, которые можно использовать в массовом производстве - всего за несколько дней, а не за несколько месяцев, которые потребовались бы при использовании современные технологии.
Оболочки могут разрываться, когда клетки внутри делятся и вырастают за пределы своего пикового объема. Эти свободные клетки все еще жизнеспособны, и их можно повторно захватить для продолжения исследований или дальнейшей селекции. Исследователи также могут создавать оболочки с химическими группами, которые разрушаются при воздействии биосовместимого реагента, обеспечивая многогранный подход к высвобождению выбранных клеток.
«Если мы хотим сосредоточиться на водорослях, которые лучше всего подходят для производства биотоплива, мы можем использовать PicoShells для организации, выращивания и обработки миллионов отдельных клеток водорослей», - сказал ведущий автор Марк ван Зи, аспирант биоинженерии. в Калифорнийском университете в Самуэли. «И мы можем сделать это в машинах, которые сортируют их с помощью флуоресцентных меток, которые загораются, показывая уровень топлива».
В настоящее время культивирование и сравнение таких микроорганизмов осуществляется в основном с использованием традиционных лабораторных инструментов, таких как микропланшеты - картонные коробки, вмещающие несколько десятков небольших объемов, похожих на пробирки. Однако эти методы медленные, и их эффективность трудно оценить количественно, поскольку для выращивания больших колоний для исследования могут потребоваться недели или месяцы. Другие подходы, такие как эмульсии капель воды в масле, могут использоваться для анализа клеток в меньших объемах, но окружающие масла препятствуют свободному обмену среды с каплями воды. Даже клетки или микроорганизмы, которые хорошо себя чувствуют в лабораторных условиях, могут оказаться хуже, если их поместить в промышленную среду, например, в биореакторы или фермы для культивирования на открытом воздухе. В результате клеточные штаммы, разработанные в лаборатории, часто не демонстрируют такого же полезного поведения при переносе в промышленное производство.
Планшеты Microwell также ограничены в количестве экспериментов, которые могут быть выполнены, что приводит к большому количеству проб и ошибок в поиске клеточных штаммов, которые достаточно хорошо работают для массового производства.
Исследователи продемонстрировали новый инструмент, выращивая колонии водорослей и дрожжей, сравнивая их рост и жизнеспособность с другими колониями, выращенными в эмульсиях вода-в-масле. Что касается водорослей, команда обнаружила, что колонии PicoShell быстро накапливают биомассу, в то время как водоросли вообще не растут в эмульсиях вода-в-масле. Подобные результаты были получены в их экспериментах с дрожжами. Выбрав самые быстрорастущие водоросли в PicoShells, исследователи смогли увеличить производство биомассы хлорофилла на 8% всего за один цикл..
Авторы говорят, что PicoShells может предложить более быструю альтернативу для разработки новых штаммов водорослей и дрожжей, что приведет к улучшенному биотопливу, пластмассам, материалам, улавливающим углерод, и даже к продуктам питания и алкогольным напиткам. Дальнейшие усовершенствования технологии, такие как покрытие оболочек антителами, также могут привести к разработке новых типов лекарств на основе белков.
Ди Карло, ван Зее и соавтор исследования Джозеф де Рютте, доктор философии. '20, бывший член исследовательской группы Ди Карло, названы изобретателями в патентной заявке, поданной Группой развития технологий Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Другие авторы из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе - Роуз Румьян, Кейден Уильямсон, Тревор Бернс, Эндрю Сонико Эудженио, Сара Бади, Донг-Хюн Ли и Маани Арчанг. Рэндор Радаковиц из Synthetic Genomics из Сан-Диего также является автором.
Ди Карло занимает должности преподавателей биоинженерии, машиностроения и аэрокосмической техники в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе на Самуэли. Он является членом CNSI и Комплексного онкологического центра Джонссона в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.