Une équipe d'ingénieurs chimistes a développé une nouvelle façon de produire des médicaments et des produits chimiques à la demande et de les conserver à l'aide de « bio-usines » portables intégrées dans des gels à base d'eau appelés hydrogels. L'approche pourrait aider les gens dans les villages reculés ou en mission militaire, où l'absence de pharmacies, les cabinets médicaux ou même la réfrigération de base rendent difficile l'accès aux médicaments essentiels, utilisation quotidienne de produits chimiques et d'autres composés à petites molécules.

Dirigé par Hal Alper, professeur à l'Université du Texas à la Cockrell School of Engineering d'Austin, en collaboration avec le chimiste Alshakim Nelson et son groupe de recherche à l'Université de Washington, ce système unique en son genre intègre efficacement des bio-usines microbiennes - des cellules bio-conçues pour surproduire un produit - dans le support solide d'un hydrogel, permettant une portabilité et une production optimisée. C'est le premier système à base d'hydrogel à organiser à la fois des microbes individuels et des consortiums pour la production instantanée de matières premières chimiques de grande valeur, utilisé pour des processus tels que la production de carburant, et pharmaceutiques. Les produits peuvent être fabriqués en quelques heures à quelques jours.

L'équipe décrit sa nouvelle approche dans le numéro du 4 février de Communication Nature .

"Nous avons pris un angle complètement différent pour la fermentation en utilisant des hydrogels, " dit Alper, dont l'expertise de recherche est axée sur la biotechnologie et l'ingénierie cellulaire. "Beaucoup de produits chimiques, carburants, les nutraceutiques et les produits pharmaceutiques que nous utilisons reposent sur la technologie de fermentation traditionnelle. Notre technologie répond à une forte limitation dans les domaines de la biologie synthétique et des bioprocédés, à savoir la capacité de fournir un moyen à la fois pour la production à la demande et à usage répété de produits chimiques et d'antibiotiques à partir de mono- et de co-cultures."

En tant que polymère réticulé, l'hydrogel utilisé dans ce travail peut être imprimé en 3D ou extrudé manuellement. Le matériau en gel, avec les cellules à l'intérieur, peut couler comme un liquide puis durcir lors de l'exposition à la lumière UV. Moléculairement, le réseau polymère résultant est suffisamment grand pour que les molécules et les protéines le traversent, mais l'espace est trop petit pour que les cellules s'échappent.

L'équipe a également découvert qu'en lyophilisant, ou lyophilisation, le système hydrogel, il peut préserver efficacement la capacité de fermentation des bio-usines jusqu'à ce qu'on en ait besoin à l'avenir. Le résultat de la lyophilisation ressemble un peu à une momie ancienne, ratatiné mais bien conservé. Pour faire revivre l'hydrogel et permettre la production du produit chimique ou pharmaceutique, on ajouterait simplement de l'eau, du sucre et/ou d'autres nutriments de base, et les cellules se transformeront alors en produit aussi efficacement qu'avant le processus de conservation.

L'un des nouveaux aspects permis par cette plate-forme est la capacité de combiner plusieurs organismes différents, appelés consortiums, ensemble d'une manière qui surpasse le traditionnel, bioréacteurs à grande échelle. En particulier, ce système permet une approche plug-and-play pour combiner et optimiser la production chimique. Par exemple, si un ensemble d'enzymes fonctionne mieux dans la bactérie E. coli, tandis que l'autre fonctionne mieux dans la levure S. cerevisiae, les deux organismes peuvent travailler ensemble pour aller directement au produit plus efficacement. L'équipe de recherche a testé ces deux organismes.

Cette plate-forme a l'avantage supplémentaire d'être multitâche, garder différents types de cellules séparés pendant leur croissance, empêcher l'un de prendre le dessus et tuer les autres. De même, en testant une gamme de températures, l'équipe a pu contrôler la dynamique du système, maintenir la croissance de plusieurs types de cellules équilibrée.

Finalement, l'équipe a su faire preuve de continuité, utilisation répétée du système (avec des cellules de levure) sur une année entière sans diminution des rendements, indiquant la durabilité du processus dans le temps.

Les médicaments tels que les antibiotiques ont une certaine durée de conservation et nécessitent des conditions de stockage particulières. La portabilité de la biousine pour fabriquer ces molécules rend le système d'hydrogel particulièrement utile dans les endroits reculés, sans accès à la réfrigération pour stocker les médicaments. Ce serait également un moyen petit et compact de maintenir l'accès à plusieurs médicaments et autres produits chimiques essentiels lorsqu'il n'y a pas d'accès à une pharmacie ou à un magasin, comme lors d'une mission militaire ou d'une mission sur Mars. Bien que pas encore tout à fait là, les possibilités sont prometteuses.

« Cette technologie peut être appliquée à une large gamme de produits et de types de cellules. Nous voyons des ingénieurs et des scientifiques capables de se connecter et de jouer avec différents consortiums de cellules pour produire divers produits nécessaires à un scénario spécifique, " Alper a déclaré. "C'est en partie ce qui rend cette technologie si excitante."