3D-gedruckte lebende Zellen wandeln Glukose in Ethanol und Kohlendioxid um, um die katalytische Effizienz zu erhöhen

Die Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben 3D-gedruckte, lebende Zellen, die Glukose in Ethanol und Kohlendioxidgas (CO2) umwandeln. Diese Substanz ähnelt Bier und demonstriert eine Technologie, die zu einer hohen biokatalytischen Effizienz führt.

Bioprinting lebender Säugerzellen in komplexe 3D-Gerüste wurde für Anwendungen, die von der Geweberegeneration über die Wirkstoffsuche bis zur klinischen Umsetzung reichen, umfassend untersucht und demonstriert. Neben Säugetierzellen besteht ein wachsendes Interesse daran, funktionale Mikroben als Biokatalysatoren zu drucken.

Mikroben werden in der Industrie häufig verwendet, um Kohlenstoffquellen in wertvolle Endproduktchemikalien umzuwandeln, die in der Lebensmittelindustrie, der Herstellung von Biokraftstoffen, der Abfallbehandlung und der biologischen Sanierung Anwendung finden. Die Verwendung lebender Mikroben anstelle von anorganischen Katalysatoren hat die Vorteile milder Reaktionsbedingungen, Selbstregenerierung, niedriger Kosten und katalytischer Eigenschaften.

Die neue Forschung, die als Artikel von ACS Editors ‘Choice in der Zeitschrift Nano Letters erscheint, zeigt, dass die additive Herstellung lebender Ganzzellen die Erforschung mikrobieller Verhaltensweisen, die Kommunikation, die Interaktion mit der Mikroumgebung und neue Bioreaktoren mit hohem Volumen unterstützen kann Produktivität.

In einer Fallstudie druckte das Team gefriergetrocknete lebende biokatalytische Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae) in poröse 3D-Strukturen. Die einzigartigen geometrischen Geometrien ermöglichten es den Zellen, Glukose sehr effizient in Ethanol und CO2 umzuwandeln, ähnlich wie Hefe allein zur Bierherstellung verwendet werden kann. Durch dieses neue Material mit Bio-Tinte ermöglicht, sind die gedruckten Strukturen selbsttragend, mit hoher Auflösung, einstellbaren Zelldichten, großem Maßstab, hoher katalytischer Aktivität und langfristiger Lebensfähigkeit. Noch wichtiger ist, dass bei der Verwendung von gentechnisch veränderten Hefezellen auch wertvolle Pharmazeutika, Chemikalien, Lebensmittel und Biokraftstoffe hergestellt werden können.

“Verglichen mit Massenfilmgegenstücken ermöglichten uns gedruckte Gitter mit dünnen Filamenten und Makroporen einen raschen Massentransfer, der zu einer mehrfachen Steigerung der Ethanolproduktion führte”, sagte der leitende LLNL-Materialwissenschaftler Fang Qian und der entsprechende Autor der Zeitung . „Unser Tintensystem kann auf eine Vielzahl anderer katalytischer Mikroben angewendet werden, um die breiten Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Die bioprintierten 3D-Geometrien, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, könnten eine vielseitige Plattform für die Prozessintensivierung einer Reihe von Biokonversionsprozessen sein, die verschiedene mikrobielle Biokatalysatoren für die Herstellung von hochwertigen Produkten oder für Bioremediation-Anwendungen verwenden.“

Andere Forscher in Livermore sind Cheng Zhu, Jennifer Knipe, Samantha Ruelas, Joshua Stolaroff, Joshua DeOtte, Eric Duoss, Christopher Spadaccini und Sarah Baker. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem National Renewable Energy Laboratory durchgeführt.

“Die Immobilisierung von Biokatalysatoren bietet mehrere Vorteile, darunter die Möglichkeit, kontinuierliche Umwandlungsprozesse zu ermöglichen und die Produktreinigung zu vereinfachen”, sagte der andere korrespondierende Chemiker Baker. „Diese Technologie ermöglicht die Kontrolle der Zelldichte, der Platzierung und der Struktur in einem lebenden Material. Durch die Möglichkeit, diese Eigenschaften abzustimmen, können Produktionsraten und Erträge verbessert werden. Außerdem können Materialien, die solch hohe Zelldichten enthalten, neue, unerforschte vorteilhafte Eigenschaften annehmen, da die Zellen einen großen Anteil der Materialien ausmachen.”

“Dies ist die erste Demonstration für den 3D-Druck von immobilisierten lebenden Zellen, um chemische Reaktoren zu schaffen”, sagte der Mitautor des Ingenieurs Duoss. „Dieser Ansatz verspricht eine schnellere, billigere, sauberere und effizientere Ethanolproduktion. Jetzt erweitern wir das Konzept, indem wir andere Reaktionen untersuchen, einschließlich der Kombination gedruckter Mikroben mit herkömmlicheren chemischen Reaktoren, um “Hybrid” – oder “Tandem” -Systeme zu schaffen, die neue Möglichkeiten eröffnen.”