Investigadores desarrollan nuevas partículas microscópicas de picocáscara

La producción de grasas de alto contenido energético por microalgas puede proporcionar una fuente de energía sostenible y renovable que puede ayudar a combatir el cambio climático. Sin embargo, las microalgas modificadas para producir lípidos rápidamente suelen crecer lentamente por sí mismas, lo que dificulta aumentar los rendimientos generales.

Los bioingenieros de la UCLA han creado un nuevo tipo de placa de Petri en forma de partículas microscópicas permeables que pueden acelerar drásticamente los tiempos de investigación y desarrollo (I+D) de productos biológicos, como los ácidos grasos para biocombustibles. Apodadas PicoShells, las partículas de hidrogel porosas de picolitros (trillonésima parte de un litro) pueden permitir que más de un millón de células individuales se dividan en compartimentos, se cultiven en entornos relevantes para la producción y se seleccionen según las características de crecimiento y desarrollo de la acumulación de biomasa utilizando equipos de procesamiento de células estándar.

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

Los PicoShells consisten en una cavidad interior hueca donde se encapsulan las células y una cubierta exterior porosa que permite el intercambio continuo de solución con el entorno externo para que los nutrientes, las moléculas de comunicación celular y los subproductos celulares, los agentes citotóxicos puedan transportarse libremente dentro y fuera de la cavidad interna. El caparazón también mantiene encerrados pequeños grupos de células en crecimiento, lo que permite a los investigadores estudiar y comparar sus comportamientos (lo que hacen, qué tan rápido crecen, qué producen) con los de otros grupos en el interior de varios 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 de producción industrial, como en un biorreactor lleno de aguas residuales o en un estanque de cultivo al aire libre.

«Los PicoShells son como globos de malla muy pequeños. Las células que crecen en su interior están efectivamente cercadas pero no selladas», dijo el líder del estudio Dino Di Carlo, el profesor Armond y Elena Hairapetian de UCLA en ingeniería y medicina en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA. Con esta nueva herramienta, ahora podemos estudiar los comportamientos individuales de millones de células vivas en el entorno relevante. Esto podría acortar el tiempo de espera desde la I+D hasta 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 llevar el laboratorio al entorno industrial, lo que permite realizar pruebas en un área aislada 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 análisis posterior.

Según los investigadores, otra ventaja de esta nueva herramienta es que el análisis de millones de PicoShells está automatizado, ya que también son compatibles con equipos de laboratorio estándar utilizados para el procesamiento de células de gran volumen.

Los grupos masivos de células, hasta 10 millones en un día, se pueden clasificar y organizar de acuerdo con ciertas características. El análisis continuo podría dar como resultado conjuntos ideales de células, aquellas que ya funcionan bien en el medio ambiente con la temperatura adecuada, la composición de nutrientes y otras propiedades que podrían usarse en la producción en masa, en solo días en lugar de solo en varios meses. tecnologías actuales.

Los caparazones se pueden diseñar para que estallen cuando las celdas del interior se hayan dividido y excedido su volumen máximo. Estas celdas libres aún son viables y se pueden recuperar para continuar con la investigación o una selección adicional. Los investigadores también pueden crear caparazones con grupos químicos que se descomponen cuando se exponen a un reactivo biocompatible, lo que permite un enfoque multifacético para liberar células seleccionadas.

“Si queremos centrarnos en qué algas son las mejores para producir biocombustibles, podemos usar PicoShells para organizar, cultivar y procesar millones de células de algas únicas”, dijo el autor principal Mark van Zee, estudiante graduado en bioingeniería en UCLA Samueli. «Y podemos hacer eso en máquinas que los clasifican usando etiquetas fluorescentes que se encienden para indicar los niveles de combustible».

Actualmente, el cultivo y la comparación de estos microorganismos se realiza principalmente utilizando herramientas de laboratorio tradicionales, como placas de micropocillos, cajas que contienen varias docenas de pequeños volúmenes similares a tubos de ensayo. Sin embargo, estos métodos son lentos y es difícil cuantificar su efectividad debido a que el crecimiento de colonias grandes a estudiar puede llevar semanas o meses. Se pueden utilizar otros enfoques, como las emulsiones de gotas de agua en aceite, para analizar células en volúmenes más pequeños, pero los aceites circundantes impiden el intercambio de medio libre dentro de las gotas de agua. Incluso las células o los microorganismos que funcionan bien en condiciones de laboratorio pueden no funcionar tan 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 exhiben el mismo comportamiento beneficioso característico cuando se transfieren a la producción industrial.

Las placas de micropocillos también están limitadas en la cantidad de experimentos que se pueden realizar, lo que lleva a una gran cantidad de prueba y error para encontrar cepas de células que funcionen lo suficientemente bien para la producción en masa.

Los investigadores demostraron la nueva herramienta cultivando colonias de algas y levaduras, comparando su crecimiento y viabilidad con los de 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 sus experimentos con levadura. Al seleccionar las algas que más crecen en PicoShells, los investigadores pudieron 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 para desarrollar nuevas cepas de algas y levaduras, lo que conduciría a mejores biocombustibles, plásticos, materiales de captura de carbono e incluso alimentos y bebidas alcohólicas. Otras mejoras en la tecnología, como recubrir las cubiertas con anticuerpos, también podrían conducir al desarrollo de nuevos tipos de medicamentos basados ​​en proteínas.

Di Carlo, van Zee y el coautor del estudio Joseph de Rutte Ph.D. ’20, ex miembro del grupo de investigación de Di Carlo, son nombrados inventores en una solicitud de patente presentada por el Grupo de Desarrollo de Tecnología de la UCLA. Otros autores de UCLA en el artículo son Rose Rumyan, Cayden Williamson, Trevor Burnes, Andrew Sonico Eugenio, Sara Badih, Dong-Hyun Lee y Maani Archang. Randor Radakovits de Synthetic Genomics en San Diego también es autor.