Proizvodnja lijekova uz pomoć 'biotvornica' u hidrogelu
Ovo bi mogao biti mali i kompaktan način za održavanje pristupa pojedinim lijekovima i drugim ključnim kemikalijama kada ne postoji pristup ljekarnama ili trgovinama.
Istraživači navode kako nova metoda za proizvodnju te čuvanje lijekova i kemikalija uključuje ugradnju prijenosnih 'biotvornica' u gelove na bazi vode, tj. hidrogelove.
Ovaj bi način proizvodnje kemikalija mogao pomoći ljudima u udaljenim naseljima ili u vojnim misijama. U takvim uvjetima nedostatak ljekarni, liječnika ili čak osnovnog sustava hlađenja pristup nužnim lijekovima i drugim spojevima malih molekula može učiniti izuzetno teškim.
„Očekujemo kako će ova otkrića u budućnosti omogućiti nove tehnologije za proizvodnju malih molekula i peptidnih proizvoda na zahtjev“, navodi u svom komentaru za rad koji je objavljen u časopisu Nature Communications Alshakim Nelson, docent kemije i član Instituta za molekularno inženjerstvo i znanosti na Sveučilištu Washington.
„Ova će tehnologija posebice biti primjenjiva u udaljenim i izoliranim područjima gdje su ograničeni izvori sirovina i prostora, a neke od primjena mogle bi biti u svemirskim misijama ili za proizvodnju personaliziranih lijekova.“
Biotvornice u hidrogelu
Ovaj sustav učinkovito ugrađuje mikrobne biotvornice (stanice napravljene da prekomjerno proizvode neki proizvod) u čvrstu strukturu hidrogela što ga čini prenosivim i omogućuje optimiziranu proizvodnju. Ovo je prvi sustav na bazi hidrogela koji uključuje i pojedinačne mikrobe i konzorcije za proizvodnju kemijskih sirovina visoke vrijednosti u željenom trenutku koje se koriste u procesima poput proizvodnje goriva ili farmaceutika. Sustav može proizvoditi produkte u razdoblju od nekoliko sati do nekoliko dana.
„Brojne kemikalije, goriva, nutraceutici i farmaceutici koje koristimo zapravo nastaju tradicionalnom tehnologijom fermentacije“, navodi Hal Apler, profesor kemijskog inženjerstva na Sveučilištu Texas u Austinu.
„Naša tehnologija rješava problem ograničenja na području sintetske biologije i bioprocesiranja, prvenstveno pružajući mogućnost uvjeta za proizvodnju na zahtjev ili ponovnu proizvodnju kemikalija i antibiotika iz mono- i ko-kultura“, dodaje Apler.
Kao umreženi polimer, hidrogel koji je korišten u ovom radu može se 3D printati ili ručno istiskivati (ekstrudirati). Materijal gela, zajedno sa stanicama u sebi, može teći poput kapljevine te zatim očvrsnuti pri izlaganju UV svjetlosti. Rezultirajuća mreža polimera dovoljno je velika da se kroz nju mogu kretati molekule i proteini, ali prostor je dovoljno malen da stanice ne mogu napustiti hidrogel.
Tim je također otkrio kako sušenje sustava hidrogela zaleđivanjem može učinkovito očuvati kapacitet biotvornica za fermentaciju do trenutka kada će ih se u budućnosti ponovno trebati upotrijebiti. Rezultat zaleđivanja je nešto poput drevnih mumija, smežuran, ali dobro očuvan.
Kako bi ponovno oživjeli hidrogel, istraživači jednostavno dodaju vodu, šećer i druge osnovne hranjive tvari te stanice mogu nastaviti proizvodnju jednakom učinkovitosti kao i prije samog procesa očuvanja.
- Izvor: Compartmentalized microbes and co-cultures in hydrogels for on-demand bioproduction and preservation
Uključi i igraj
Jedna od novih primjena koju omogućuje ovaj sustav je mogućnost kombiniranja više različitih organizama pod nazivom konzorcij na način koji je učinkovitiji od velikih tradicionalnih bioreaktora.
Ovaj sustav omogućuje 'uključi-i-igraj' (Plug-and-play) pristup kombinaciji i optimiziranju proizvodnje kemikalija. Primjerice, ako jedan set enzima djeluje najbolje u slučaju bakterije E. coli, a drugi je najbolji u slučaju kvasca, ova dva organizma mogu zajednički raditi kako bi se učinkovitije proizveo željeni produkt. Tim istraživača proveo je testove na oba navedena organizma.
Ova platforma ima dodatnu prednost obavljanja više zadataka istovremeno, a pri tom čuvajući različite vrste stanica odvojenima za vrijeme njihovog rasta te sprječavajući nadvladavanje jedne i ubijanje drugih. Također, testiranjem niza temperatura, tim je mogao kontrolirati dinamiku sustava održavajući tako rast različitih vrsta stanica u ravnoteži.
U konačnici, tim je dokazao kontinuiranu, ponovnu upotrebu sustava u slučaju stanica kvasca tijekom cijele godine bez smanjenja prinosa što upućuje na održivost procesa tijekom vremena.
Kompaktan i prenosiv
Lijekovi poput antibiotika imaju određeni rok trajanja i zahtijevaju posebne uvjete skladištenja. Ova prenosivost biotvornice koja može sintetizirati te molekule čini sustav hidrogela posebice korisnim na udaljenim mjestima koja nemaju pristup hlađenju za skladištenje lijekova.
Ovo bi također bio mali i kompaktan način za održavanje pristupa pojedinim lijekovima i drugim ključnim kemikalijama kada ne postoji pristup ljekarnama ili trgovinama, primjerice tijekom vojnih misija ili misija na Marsu. Iako to još nije u potpunosti ostvareno, mogućnosti su obećavajuće.
„Ova tehnologija može se primijeniti na široki spektar proizvoda i vrsta stanica. Inženjeri i znanstvenici mogu uključivati i igrati se s različitim konzorcijima stanica kako bi proizveli različite proizvode koji su potrebni za određenu svrhu“, navodi Alper. „To je dio onoga što ovu tehnologiju čini toliko uzbudljivom.“
Dodatni koautori su sa Sveučilišta Washington i Sveučilišta Texas, a istraživanje su financirali zaklada Camille and Henry Dreyfus Foundation, Sveučilište Washington i Royalty Research Fund.
Žarko Šaravanja / Ekovjesnik