Un equipo de ingenieros químicos ha desarrollado una nueva forma de producir medicamentos y productos químicos a pedido y preservarlos utilizando "biofábricas" portátiles incrustadas en geles a base de agua llamados hidrogeles. El enfoque podría ayudar a las personas en aldeas remotas o en misiones militares, donde la ausencia de farmacias, los consultorios médicos o incluso la refrigeración básica dificulta el acceso a medicamentos críticos, productos químicos de uso diario y otros compuestos de moléculas pequeñas.

Dirigido por Hal Alper, profesor de la Escuela de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas en Austin, en colaboración con el químico Alshakim Nelson y su grupo de investigación en la Universidad de Washington, Este sistema, el primero en su tipo, integra de manera efectiva biofábricas microbianas (células bioingenierizadas para producir en exceso un producto) en el soporte sólido de un hidrogel. permitiendo la portabilidad y la producción optimizada. Es el primer sistema basado en hidrogel que organiza tanto microbios individuales como consorcios para la producción en el momento de materias primas químicas de alto valor. utilizado para procesos como la producción de combustible, y productos farmacéuticos. Los productos se pueden producir en un par de horas o en un par de días.

El equipo describe su nuevo enfoque en la edición del 4 de febrero de Comunicaciones de la naturaleza .

"Hemos adoptado un ángulo de fermentación completamente diferente al utilizar hidrogeles, "dijo Alper, cuya experiencia investigadora se centra en la biotecnología y la ingeniería celular. "Muchos de los productos químicos, combustibles Los nutracéuticos y farmacéuticos que utilizamos se basan en la tecnología de fermentación tradicional. Nuestra tecnología aborda una fuerte limitación en los campos de la biología sintética y el bioprocesamiento, a saber, la capacidad de proporcionar un medio para la producción de productos químicos y antibióticos tanto a pedido como de uso repetido a partir de cultivos mono y cocultivos ".

Como polímero reticulado, el hidrogel utilizado en este trabajo puede imprimirse en 3D o extruirse manualmente. El material de gel, junto con las celdas del interior, puede fluir como un líquido y luego endurecerse al exponerse a la luz ultravioleta. Molecularmente la red de polímero resultante es lo suficientemente grande como para que las moléculas y proteínas se muevan a través de ella, pero el espacio es demasiado pequeño para que las células se filtren.

El equipo también descubrió que al liofilizar, o liofilización, el sistema de hidrogel, puede preservar eficazmente la capacidad de fermentación de las biofábricas hasta que se necesite en el futuro. El resultado de la liofilización se parece un poco a una momia antigua, arrugado pero bien conservado. Para reactivar el hidrogel y permitir la producción de productos químicos o farmacéuticos, uno simplemente agregaría agua, azúcar y / o algunos otros nutrientes básicos, y las células se convertirán en el producto con la misma eficacia que antes del proceso de conservación.

Uno de los aspectos novedosos que habilita esta plataforma es la capacidad de combinar múltiples organismos diferentes, llamados consorcios, juntos de una manera que supera al tradicional, biorreactores a gran escala. En particular, este sistema permite un enfoque plug-and-play para combinar y optimizar la producción química. Por ejemplo, si un conjunto de enzimas funciona mejor en la bacteria E. coli, mientras que el otro funciona mejor en la levadura S. cerevisiae, los dos organismos pueden trabajar juntos para ir directamente al producto de manera más eficiente. El equipo de investigación probó ambos organismos.

Esta plataforma tiene el beneficio adicional de la multitarea, mantener diferentes tipos de células separadas mientras crecen, impidiendo que uno se haga cargo y mate a los demás. Igualmente, probando un rango de temperaturas, el equipo pudo controlar la dinámica del sistema, mantener equilibrado el crecimiento de múltiples tipos de células.

Finalmente, el equipo pudo mostrar continuo, uso repetido del sistema (con células de levadura) a lo largo de todo un año sin disminución de los rendimientos, indicando la sostenibilidad del proceso en el tiempo.

Los medicamentos como los antibióticos tienen una cierta vida útil y requieren condiciones de almacenamiento especiales. La portabilidad de la biofábrica para producir estas moléculas hace que el sistema de hidrogel sea especialmente útil en lugares remotos, sin acceso a refrigeración para almacenar medicamentos. También sería una forma pequeña y compacta de mantener el acceso a varios medicamentos y otros productos químicos esenciales cuando no hay acceso a una farmacia o tienda. como durante una misión militar o una misión a Marte. Aunque todavía no ha llegado a ese punto, las posibilidades son prometedoras.

"Esta tecnología se puede aplicar a una amplia gama de productos y tipos de células. Vemos que ingenieros y científicos pueden conectarse y jugar con diferentes consorcios de células para producir diversos productos que se necesitan para un escenario específico". "Eso es parte de lo que hace que esta tecnología sea tan emocionante", dijo Alper.