Учёные разработали новые микроскопические проницаемые частицы

Результаты нового исследования могут ускорить производство высокоэнергетических жиров микроводорослями. Впоследствии они могут превратиться в устойчивый возобновляемый источник энергии. Сейчас микроводоросли, выведенные для производства липидов, растут медленно. Это затрудняет наращивание объёмов урожайности. Чтобы преодолеть эту проблему, биоинженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали новый тип микроскопических проницаемых частиц, которые могут существенно ускорить сроки исследований и разработок (НИОКР) биопродуктов для энергетики. Например, жирных кислот для биотоплива.

Частицы PicoShells имеют полое внутреннее пространство, в котором инкапсулированы клетки. Внешняя оболочка пористая. Она обеспечивает непрерывный обмен с внешней средой (раствором), благодаря чему питательные вещества, молекулы межклеточной связи и цитотоксические клеточные побочные продукты могут свободно перемещаться во внутреннюю полость и обратно. В оболочке удерживаются небольшие группы растущих клеток. В результате исследователи могут изучать их поведение и сравнивать. Они могут наблюдать за их поведением внутри различных PicoShell. Исследователи назвали данные частицы новым классом лабораторных инструментов. Это изобретение позволит выращивать живые одноклеточные микроорганизмы, в числе которых грибки, водоросли, бактерии. Это можно делать в промышленных условиях. Например, в биореакторе, который заполнен сточными водами. Это можно также делать на открытом воздухе в пруду для выращивания  микроводорослей.

Руководитель исследования, профессор Дино Ди Карло (Dino Di Carlo), сказал, что PicoShells похожи на очень маленькие сетчатые воздушные шары. Они позволяют эффективно огораживать растущие внутри клетки, но не изолировать их полностью. Благодаря такому инструменту, можно изучать индивидуальное поведение миллионов живых клеток в соответствующем растворе. Такой подход позволит сократить сроки исследований и разработок биопродуктов. Можно будет внедрять их в коммерческое производство за несколько месяцев, а раньше это занимало несколько лет. PicoShells могут также выступить в роли ценного инструмента для фундаментальных исследований в биологии.

Проницаемость частиц PicoShells позволяет перенести лабораторию в промышленные условия. С их помощью можно проводить испытания в оделённой части рабочего объекта. Рост клеток идёт быстрее, а их штаммы могут быть идентифицированы и отобраны для дальнейшего исследования.

В качестве ещё одного плюса нового инструмента исследователи называют то, что анализ миллионов PicoShell поддаётся автоматизации. Дело в том, что частицы совместимы со стандартным лабораторным оборудованием, которое используется для обработки больших объемов клеток. Можно выполнять сортировку и организацию по определённым характеристикам огромных групп клеток (до 10 млн в сутки). Непрерывный анализ позволяет создать идеальные наборы клеток. Это те, которые хорошо работают в среде с подходящей температурой, составом раствора и прочими свойствами, которые можно использовать в массовом производстве. Всего этого можно добиться буквально за несколько дней. Современные же технологии позволяют делать это за несколько месяцев.

Оболочка PicoShell может быть сконструирована таким образом, что будет разрываться в тот момент, когда клетки внутри разделились и выросли за пределы своего пикового объёма. Эти свободные клетки остаются жизнеспособными и их можно захватить для проведения дальнейшей селекции или исследований. Учёные также могут создавать оболочки с химическими группами, которые разрушаются при воздействии на них биосовместимого реагента. Это обеспечивает многогранный подход к процессу высвобождения выбранных клеток.

Один из авторов исследования, Марк ван Зи (Mark van Zee), отметил, что если требуется сосредоточиться на водорослях, подходящих для производства биотоплива, то можно использовать разработанные ими частицы PicoShells для организации, выращивания и обработки миллионов отдельных клеток водорослей. По его словам, это можно делать на оборудовании, которое сортирует клетки с помощью флуоресцентных меток. Эти метки загораются, чтобы показать уровень топлива. На сегодняшний день культивирование и исследование таких микроорганизмов учёные выполняют с помощью традиционных лабораторных инструментов – микропланшетов. Это картонные коробки, которые вмещают в себя несколько десятков сосудов, напоминающих пробирки. Однако такой подход очень медленный и эффективность культивирования трудно оценить количественно. Проблема в том, что для выращивания крупных колоний, требуемых для проведения исследования, могут потребоваться недели и даже месяцы.

Существуют и другие подходы. Например, эмульсия капель воды в масле. Это позволяет  выполнять анализ клеток в меньших объёмах. Однако окружающее масло препятствует свободному обмену с внешней средой. Поэтому клетки или микроорганизмы, которое хорошо показывают себя в лабораторных условиях, могут значительно ухудшить свои свойства при попадании в промышленную среду (биореакторы или фермы для культивирования на открытом воздухе). Поэтому клеточные штаммы, разработанные в лаборатории, очень часто не демонстрируют своих полезных свойств при переносе в промышленное производство.

Планшеты с микролунками ограничены в числе экспериментов, которые можно в них выполнить. Из-за этого возникает множество проб и ошибок при поиске клеточных штаммов, хорошо работающих в условиях массового производства. Исследователи провели демонстрацию работы нового инструмента при выращивании колонии водорослей и дрожжей. А также сравнили их рост и жизнеспособность с другими колониями, выращенными в эмульсиях вода-в-масле.

Учёным удалось обнаружить, что колонии быстро набирают биомассу в то время, как водоросли в эмульсиях вода-в-масле вообще не растут. Такие результаты были получены при проведении экспериментов с дрожжами. Исследователей выбрали самые быстрорастущие водоросли в PicoShells и смогли нарастить производство биомассы хлорофилла на 8% всего за один цикл.

Авторы исследования утверждают, что PicoShells могут предложить более быструю альтернативу для разработки новых штаммов водорослей и дрожжей. Это приведёт к получению улучшенного биотоплива, пластмасс, продуктов питания, алкогольных напитков, а также материалов, улавливающих углерод. Если заняться усовершенствованием технологии и создать покрытие оболочек антителами, то в дальнейшем это позволит разработать новые типы лекарств на основе белка.