Uma equipe de engenheiros químicos desenvolveu uma nova maneira de produzir medicamentos e produtos químicos sob demanda e preservá-los usando "biofábricas" portáteis embutidas em géis à base de água chamados hidrogéis. A abordagem pode ajudar pessoas em aldeias remotas ou em missões militares, onde a ausência de farmácias, consultórios médicos ou mesmo refrigeração básica torna difícil o acesso a medicamentos essenciais, use diariamente produtos químicos e outros compostos de pequenas moléculas.

Liderado por Hal Alper, professor da Universidade do Texas na Escola de Engenharia Cockrell de Austin, em colaboração com o químico Alshakim Nelson e seu grupo de pesquisa na Universidade de Washington, este sistema inédito incorpora efetivamente biofábricas microbianas - células modificadas por bioengenharia para superproduzir um produto - no suporte sólido de um hidrogel, permitindo portabilidade e produção otimizada. É o primeiro sistema baseado em hidrogel a organizar micróbios individuais e consórcios para a produção imediata de matérias-primas químicas de alto valor, usado para processos como produção de combustível, e produtos farmacêuticos. Os produtos podem ser produzidos dentro de algumas horas a alguns dias.

A equipe descreve sua nova abordagem na edição de 4 de fevereiro de Nature Communications .

"Adotamos um ângulo completamente diferente para a fermentação, utilizando hidrogéis, "disse Alper, cuja experiência em pesquisa está focada em biotecnologia e engenharia celular. "Muitos dos produtos químicos, combustíveis, nutracêuticos e farmacêuticos que usamos contam com a tecnologia de fermentação tradicional. Nossa tecnologia aborda uma forte limitação nas áreas de biologia sintética e bioprocessamento, ou seja, a capacidade de fornecer um meio para a produção sob demanda e de uso repetido de produtos químicos e antibióticos de monoculturas e co-culturas. "

Como um polímero reticulado, o hidrogel utilizado neste trabalho pode ser impresso em 3D ou extrudado manualmente. O material do gel, junto com as células internas, pode fluir como um líquido e depois endurecer quando exposto à luz ultravioleta. Molecularmente, a rede de polímero resultante é grande o suficiente para que moléculas e proteínas se movam através dela, mas o espaço é muito pequeno para que as células vazem.

A equipe também descobriu que, ao liofilizar, ou liofilização, o sistema de hidrogel, ele pode efetivamente preservar a capacidade de fermentação das biofábricas até que seja necessário no futuro. O resultado da liofilização lembra um pouco uma múmia antiga, enrugado, mas bem preservado. Para reviver o hidrogel e permitir a produção do produto químico ou farmacêutico, alguém simplesmente adicionaria água, açúcar e / ou alguns outros nutrientes básicos, e as células se converterão no produto com a mesma eficácia de antes do processo de preservação.

Um dos novos aspectos habilitados por esta plataforma é a capacidade de combinar vários organismos diferentes, chamados consórcios, juntos de uma forma que supera o tradicional, biorreatores de grande escala. Em particular, este sistema permite uma abordagem plug-and-play para combinar e otimizar a produção de produtos químicos. Por exemplo, se um conjunto de enzimas funcionar melhor na bactéria E. coli, enquanto o outro funciona melhor na levedura S. cerevisiae, os dois organismos podem trabalhar juntos para ir direto ao produto com mais eficiência. A equipe de pesquisa testou esses dois organismos.

Esta plataforma tem o benefício adicional de multitarefa, mantendo diferentes tipos de células separados enquanto crescem, impedindo um de assumir e matar os outros. Da mesma forma, testando uma gama de temperaturas, a equipe foi capaz de controlar a dinâmica do sistema, mantendo o crescimento de vários tipos de células equilibradas.

Finalmente, a equipe foi capaz de mostrar continuamente, uso repetido do sistema (com células de levedura) ao longo de um ano inteiro sem uma diminuição nos rendimentos, indicando a sustentabilidade do processo ao longo do tempo.

Medicamentos como os antibióticos têm um certo prazo de validade e requerem condições específicas de armazenamento. A portabilidade da biofábrica para fazer essas moléculas torna o sistema de hidrogel especialmente útil em locais remotos, sem acesso a refrigeração para armazenar medicamentos. Seria também uma forma pequena e compacta de manter o acesso a vários medicamentos e outros produtos químicos essenciais quando não houver acesso a uma farmácia ou loja, como durante uma missão militar ou uma missão a Marte. Embora ainda não esteja lá, as possibilidades são promissoras.

“Essa tecnologia pode ser aplicada a uma ampla gama de produtos e tipos de células. Vemos engenheiros e cientistas sendo capazes de se conectar a diferentes consórcios de células para produzir diversos produtos que são necessários para um cenário específico, "Alper disse." Isso é parte do que torna esta tecnologia tão interessante. "