La producción de lípidos de alta energía por microalgas puede proporcionar una fuente sostenible de energía renovable que podría ayudar a abordar el cambio climático. Sin embargo, las microalgas modificadas para producir lípidos rápidamente generalmente crecen lentamente, lo que dificulta aumentar el rendimiento general.

Los bioingenieros de la UCLA han creado un nuevo tipo de placa de Petri en forma de micropartículas permeables que pueden acelerar drásticamente los programas de investigación y desarrollo (I+D) de productos biológicos, como los ácidos grasos para biocombustibles. Llamadas picolitros picoshells (billones de litros), las partículas de hidrogel poroso pueden proporcionar más de un millón celdas individuales Se fraccionan y cultivan en entornos relevantes para la producción y se seleccionan en función de las características de crecimiento y la acumulación de biomasa utilizando equipos de procesamiento de células estándar.

procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias Recientemente publiqué un estudio que detalla cómo funcionan los PicoShells y sus posibles aplicaciones.

PicoShells consisten en una cavidad interior hueca donde células Una capa exterior porosa encapsulada permite el intercambio continuo de la solución con el entorno externo para que los nutrientes, las moléculas de comunicación celular y los subproductos celulares citotóxicos puedan entrar y salir libremente de la luz interna. El proyectil también mantiene grupo pequeño de células en desarrollo, lo que permite a los investigadores estudiar y comparar sus comportamientos (lo que hacen, la rapidez con que crecen y lo que producen) con los de otros grupos dentro de los muchos PicoShells.

Esta nueva clase de herramientas de laboratorio permite a los investigadores cultivar microorganismos unicelulares vivos, incluidas algas, hongos y bacterias, en las mismas condiciones que la producción industrial, como en un biorreactor lleno de aguas residuales o en un estanque de cultivo al aire libre.

“Los pico-cáscaras son como globos de malla muy pequeños. Las células que crecen en el interior están efectivamente cercadas pero no selladas”, dijo el líder del estudio Dino DiCarlo y los profesores de ingeniería y medicina Armond y Elena Hayrapetian en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCSD. “Con esta nueva herramienta, ahora podemos estudiar los comportamientos individuales de millones de células vivas en un entorno relevante. Esto podría acortar los plazos de I+D en la producción comercial de bioproductos de unos pocos años a unos pocos meses. PicoShells también podría ser una herramienta valiosa para estudios básicos de biología”.

La permeabilidad de PicoShells puede trasladar el laboratorio a un entorno industrial, lo que permite realizar pruebas en un área dividida de una instalación de trabajo. El crecimiento puede ocurrir más rápidamente y las cepas de células que funcionan bien pueden identificarse y seleccionarse para un examen más detallado.

Según los investigadores, otra ventaja de esta nueva herramienta es que el análisis de millones de PicoShells se realiza de forma automática, ya que también es compatible con equipos de laboratorio estándar utilizados para procesar células de gran volumen.

Enormes grupos de células, hasta 10 millones en un solo día, se pueden clasificar y organizar según ciertas características. El análisis continuo puede producir poblaciones ideales de células, aquellas que realmente funcionan bien en el medio ambiente con la temperatura, la composición de nutrientes y otras propiedades adecuadas que pueden usarse para la producción en masa, en unos pocos días en lugar de los muchos meses que llevaría usar las actuales tecnologías

Los caparazones pueden diseñarse para explotar cuando las células del interior se dividen y crecen más allá de su tamaño máximo. Estas células libres aún son viables y se pueden recuperar para una mayor investigación o una mayor selección. Los investigadores también pueden crear caparazones con grupos químicos que se desintegran cuando se exponen a un reactivo biocompatible, lo que permite un enfoque multifacético para liberar células seleccionadas.

“Si queremos centrarnos en las algas que son mejores para producir biocombustibles, podemos usar PicoShells para organizar, cultivar y procesar millones de células de algas individuales”, dijo el autor principal Mark Van Zee, estudiante graduado en bioingeniería en la Universidad de California. Samueli. “Y podemos hacer eso en máquinas que los clasifican con marcadores fluorescentes que se encienden para indicar los niveles de combustible”.

Actualmente, dichos microorganismos se cultivan y comparan utilizando instrumentos de laboratorio tradicionales, como placas de micropocillos, que son latas que contienen docenas de diminutos tamaños similares a tubos de ensayo. Sin embargo, estos métodos son lentos y su eficacia es difícil de determinar porque pueden pasar semanas o meses antes de que crezcan colonias grandes para el estudio. Se pueden utilizar otros métodos, como las emulsiones de gotas de agua en aceite, para descomponer las células en volúmenes más pequeños, pero los aceites circundantes impiden el libre intercambio del medio en las gotas de agua. Incluso las células o los microorganismos que funcionan bien en condiciones de laboratorio pueden no funcionar bien una vez colocados en entornos industriales, como biorreactores o granjas de cultivo al aire libre. Como resultado, las cepas de células desarrolladas en el laboratorio a menudo no muestran el mismo comportamiento beneficioso característico cuando se transfieren a la producción industrial.

Las placas de micropocillos también están limitadas en el número de experimentos que se pueden realizar, lo que ha resultado en una gran cantidad de prueba y error para encontrar cepas celulares que funcionan lo suficientemente bien como para la producción en masa.

Los investigadores demostraron la nueva herramienta cultivando colonias de algas y levaduras, comparando su crecimiento y viabilidad con otras colonias cultivadas en emulsiones de agua en aceite. Para las algas, el equipo descubrió que las colonias de PicoShell acumulaban rápidamente biomasa, mientras que las algas no crecían en absoluto en las emulsiones de agua en aceite. Se encontraron resultados similares en experimentos con levadura. Al elegir la mayor cantidad de algas cultivadas en PicoShells, los investigadores pueden aumentar la producción de biomasa de clorofila en un 8 % después de solo un ciclo.

Los autores dijeron que PicoShells podría ofrecer una alternativa más rápida al desarrollo de nuevas cepas de algas y levaduras, lo que conduciría a mejores biocombustibles, plásticos, materiales de captura de carbono e incluso productos alimenticios y bebidas alcohólicas. Otras mejoras en la tecnología, como recubrir las cubiertas con anticuerpos, podrían conducir al desarrollo de nuevos tipos de medicamentos basados ​​en proteínas.

Di Carlo y Van Zee y el coautor del estudio Joseph de Root Ph.D. ’20, un ex miembro del Grupo de Investigación Di Carlo, fueron nombrados inventores en base a una solicitud de patente presentada por el Grupo de Desarrollo de Tecnología de UCLA. Otros autores de UCLA en el artículo son Rose Roman, Cayden Williamson, Trevor Burns, Andrew Soniko Eugenio, Sarah Badeh, Dong Hyun Lee y Manny Archang. Randor Radakowitz de San Diego Synthetic Genomes también es autor.