Se inventa la primera matriz de hidrogel que permite la producción de medicamentos y productos químicos in situ

Qspheroid4 [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Un equipo de ingenieros químicos ha desarrollado una nueva forma de producir medicamentos y productos químicos bajo demanda y preservarlos utilizando "biofábricas" portátiles integradas en geles a base de agua llamados hidrogeles. El enfoque podría ayudar a las personas en aldeas remotas o en misiones militares, donde la ausencia de farmacias, consultorios médicos o incluso refrigeración básica dificulta el acceso a medicamentos críticos, el uso diario de productos químicos y otros compuestos de moléculas pequeñas.

Dirigido por Hal Alper, profesor de la Facultad de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas en Austin, en colaboración con el químico Alshakim Nelson y su grupo de investigación en la Universidad de Washington, este primer sistema de este tipo integra de manera efectiva biofactorías microbianas, células diseñadas para sobreproducir un producto, en el soporte sólido de un hidrogel, lo que permite su portabilidad y su producción optimizada. Es el primer sistema basado en hidrogel para organizar microbios individuales y consorcios para la producción en el momento de materias primas químicas de alto valor, utilizadas para procesos como la producción de combustible y productos farmacéuticos. Los productos se pueden producir entre un par de horas y un par de días.

El equipo describe su nuevo enfoque en la edición del 4 de febrero de la revista Nature Communications.

"Hemos tomado un ángulo completamente diferente para la fermentación al utilizar hidrogeles", dijo Alper, cuya experiencia en investigación se centra en biotecnología e ingeniería celular. "Muchos de los productos químicos, combustibles, nutracéuticos y productos farmacéuticos que utilizamos dependen de la tecnología de fermentación tradicional. Nuestra tecnología aborda una fuerte limitación en los campos de la biología sintética y el bioprocesamiento, es decir, la capacidad de proporcionar un medio para el uso a pedido y el uso repetido producción de productos químicos y antibióticos a partir de monocultivos y cocultivos ".

Como polímero reticulado, el hidrogel utilizado en este trabajo puede imprimirse en 3D o extruirse manualmente. El material de gel, junto con las células del interior, puede fluir como un líquido y luego endurecerse al exponerse a la luz UV. Molecularmente, la red de polímeros resultante es lo suficientemente grande como para que las moléculas y las proteínas se muevan a través de ella, pero el espacio es demasiado pequeño para que las células se escapen.

El equipo también descubrió que al liofilizar el sistema de hidrogel, puede preservar efectivamente la capacidad de fermentación de las biofábricas hasta que se necesite en el futuro. El resultado de la liofilización se parece un poco a una momia antigua, arrugada pero bien conservada. Para revivir el hidrogel y permitir la producción de la sustancia química o farmacéutica, uno simplemente agregaría agua, azúcar y / u otros nutrientes básicos, y las células se convertirán en el producto con la misma eficacia que antes del proceso de conservación.

Uno de los aspectos novedosos habilitados por esta plataforma es la capacidad de combinar múltiples organismos diferentes, llamados consorcios, de una manera que supera a los biorreactores tradicionales a gran escala. En particular, este sistema permite un enfoque plug-and-play para combinar y optimizar la producción química. Por ejemplo, si un conjunto de enzimas funciona mejor en la bacteria E. coli, mientras que el otro funciona mejor en la levadura S. cerevisiae, los dos organismos pueden trabajar juntos para obtener más eficientemente el producto. El equipo de investigación probó ambos organismos.

Esta plataforma tiene el beneficio adicional de la multitarea, ya que mantiene diferentes tipos de células separadas mientras crecen, evitando que una se haga cargo y mate a las otras. Del mismo modo, al probar un rango de temperaturas, el equipo pudo controlar la dinámica del sistema, manteniendo equilibrado el crecimiento de diferentes tipos de células.

Finalmente, el equipo pudo mostrar que el uso continuo y repetido del sistema (con células de levadura) se mantiente durante un año entero sin aparecer una disminución en el rendimiento, lo que indica la sostenibilidad del proceso en el tiempo.

Los medicamentos como los antibióticos tienen una cierta vida útil y requieren condiciones particulares de almacenamiento. La portabilidad de la biofábrica para hacer estas moléculas hace que el sistema de hidrogel sea especialmente útil en lugares remotos, sin acceso a la refrigeración para almacenar medicamentos. También sería una forma pequeña y compacta de mantener el acceso a varios medicamentos y otras sustancias químicas esenciales cuando no hay acceso a una farmacia o una tienda, como durante una misión militar o una misión a Marte. Aunque todavía no está en uso, las posibilidades son prometedoras.

"Esta tecnología se puede aplicar a una amplia gama de productos y tipos de células. Vemos ingenieros y científicos que pueden conectarse y jugar con diferentes consorcios de células para producir diversos productos que son necesarios para un escenario específico", dijo Alper. "Eso es parte de lo que hace que esta tecnología sea tan emocionante".

Fuente de la noticia: University of Texas at Austin. "First-of-its-kind hydrogel platform enables on-demand production of medicines, chemicals." ScienceDaily. ScienceDaily, 9 February 2020.