研究人员报告称，一种生产和保存药物及化学品的新方法，是将便携式“生物工厂”包埋于被称为水凝胶的水基凝胶中。
该方法可能帮助偏远乡村或执行军事任务的人员。在这些情况下，缺乏药房、诊所，甚至基本的冷藏条件，使人们难以获取关键药物和其他小分子化合物。
华盛顿大学分子工程与科学研究所教员、化学助理教授阿尔沙基姆·尼尔森（Alshakim Nelson）在随论文发表于《自然·通讯》（评论）的文章中写道：“我们预计，这些进展将在未来为按需生产小分子和肽类产品提供新技术。”Nature Communications。
“该技术将特别适用于空间和资源有限的偏远或孤立地区，这可能包括载人太空任务或个性化药物。”
水凝胶中的生物工厂
该系统可有效地将微生物生物工厂（即经基因工程改造以过量生产某种产物的细胞）嵌入水凝胶的固体支架中，从而实现便携性和生产优化。这是首个基于水凝胶的系统，能够组织单个微生物和微生物联合体，以即时生产用于燃料和药物生产等过程的高价值化学原料。该系统可在数小时至数天内生产产品。
德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程教授哈尔·阿尔珀（Hal Alper）表示：“我们使用的许多化学品、燃料、营养保健品和药品都依赖传统发酵技术。”
“我们的技术解决了合成生物学和生物加工领域的一个重要局限，即能够同时实现化学品和抗生素的按需及重复使用生产，无论是单培养还是共培养体系，”他说。
作为一种交联聚合物，本研究中使用的水凝胶可以进行3D打印或手动挤出成型。凝胶材料连同其中的细胞，可像液体一样流动，随后在紫外光照射下固化。形成的聚合物网络足够大，可让分子和蛋白质穿过，但孔隙过小，细胞无法泄漏出来。
研究团队还发现，对水凝胶系统进行冷冻干燥，可有效保持生物工厂的发酵能力，直至未来需要时使用。冷冻干燥的结果在一定程度上类似于古代木乃伊，干瘪但保存完好。
若要复活水凝胶，研究人员只需加入水、糖和其他基本营养物质，细胞即可恢复生产，效果与保存处理前一样好。
即插即用
该平台所实现的新应用之一，是能够将多种不同的生物（称为微生物联合体）组合在一起，其效果优于传统的大规模生物反应器。
特别是，该系统可实现即插即用的方式来组合和优化化学品生产。例如，若一组酶在大肠杆菌E. coli中效果最佳，而另一组在出芽酵母酵母中效果最佳，这两种生物便可协同工作，更高效地直接生成产物。研究团队对这两种生物均进行了测试。
该平台还具有多任务处理的额外优势：在生长过程中使不同类型的细胞彼此分隔，防止某一类细胞占据优势并使其他细胞死亡。同样，通过测试一系列温度，研究团队能够控制系统的动态变化，保持多种细胞类型的生长平衡。
最后，研究团队展示了该系统在酵母细胞参与下连续、重复使用整整一年的情况，产量未见下降，表明该工艺具有长期可持续性。
便捷且便于携带
抗生素等药物的保质期固定，并需要特定的储存条件。能够合成这些分子的生物工厂具有便携性，使水凝胶系统在无法获得冷藏条件来储存药物的偏远地区尤为实用。
在没有药房或商店可供获取时，例如在军事任务或火星任务期间，该系统也将是一种小巧紧凑的方式，用以维持多种药物及其他必需化学品的供应。尽管目前尚未完全实现，但其前景十分可观。
“该技术可应用于多种产品和细胞类型。我们设想，工程师和科学家能够像即插即用一样组合不同的细胞联合体，以生产特定场景所需的多样化产品，”阿尔珀说。“这正是该技术令人兴奋之处。”
其他共同作者来自华盛顿大学和德克萨斯大学。该研究获得了卡米尔与亨利·德赖弗斯基金会、华盛顿大学以及Royalty Research Fund的资助。
