Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont imprimé en 3D des cellules vivantes qui convertissent le glucose en éthanol et en dioxyde de carbone (CO 2 ), une substance qui ressemble à de la bière, démontrant une technologie qui peut conduire à une efficacité biocatalytique élevée.

La bioimpression de cellules de mammifères vivants dans des échafaudages 3D complexes a été largement étudiée et démontrée pour des applications allant de la régénération tissulaire à la découverte de médicaments en passant par la mise en œuvre clinique. En plus des cellules de mammifères, il existe un intérêt croissant pour l'impression de microbes fonctionnels en tant que biocatalyseurs.

Les microbes sont largement utilisés dans l'industrie pour convertir les sources de carbone en produits chimiques finaux précieux qui ont des applications dans l'industrie alimentaire, production de biocarburants, traitement des déchets et bioremédiation. L'utilisation de microbes vivants au lieu de catalyseurs inorganiques présente l'avantage de conditions de réaction douces, auto-régénération, faible coût et spécificité catalytique.

La nouvelle recherche, qui apparaît comme un article ACS Editors' Choice dans la revue Lettres nano , montre que la fabrication additive de cellules entières vivantes peut aider à la recherche sur les comportements microbiens, la communication, interaction avec le microenvironnement et pour de nouveaux bioréacteurs à haute productivité volumétrique.

Dans une étude de cas, l'équipe a imprimé des cellules de levure biocatalytique vivantes lyophilisées (Saccharomyces cerevisiae) dans des structures 3D poreuses. Les géométries uniques ont permis aux cellules de convertir le glucose en éthanol et en CO 2 très efficace et similaire à la façon dont la levure seule peut être utilisée pour faire de la bière. Grâce à ce nouveau matériau bio-encre, les structures imprimées sont autoportantes, avec une haute résolution, densités cellulaires accordables, grande échelle, activité catalytique élevée et viabilité à long terme. Plus important, si des cellules de levure génétiquement modifiées sont utilisées, produits pharmaceutiques de grande valeur, produits chimiques, des aliments et des biocarburants peuvent également être produits.

"Par rapport aux homologues de films en vrac, les réseaux imprimés avec des filaments fins et des macropores nous ont permis d'obtenir un transfert de masse rapide conduisant à une augmentation de plusieurs fois de la production d'éthanol, " a déclaré le scientifique des matériaux LLNL Fang Qian, l'auteur principal et correspondant de l'article. "Notre système d'encre peut être appliqué à une variété d'autres microbes catalytiques pour répondre à de larges besoins d'application. Les géométries 3D bio-imprimées développées dans ce travail pourraient servir de plate-forme polyvalente pour l'intensification des processus d'un éventail de processus de bioconversion utilisant divers biocatalyseurs microbiens pour production de produits à haute valeur ajoutée ou d'applications de bioremédiation."

D'autres chercheurs de Livermore incluent Cheng Zhu, Jennifer Knipe, Samantha Ruelas, Josué Stolaroff, Josué DeOtte, Eric Duoss, Christopher Spadaccini et Sarah Baker. Ce travail a été mené en collaboration avec le Laboratoire national des énergies renouvelables.

« Il y a plusieurs avantages à immobiliser les biocatalyseurs, notamment en permettant des processus de conversion en continu et en simplifiant la purification du produit, " a déclaré le chimiste Baker, l'autre auteur correspondant sur le papier. « Cette technologie permet de contrôler la densité cellulaire, placement et structure dans un matériau vivant. La capacité d'ajuster ces propriétés peut être utilisée pour améliorer les taux de production et les rendements. Par ailleurs, les matériaux contenant de telles densités cellulaires peuvent prendre de nouvelles, propriétés bénéfiques inexplorées parce que les cellules comprennent une grande partie des matériaux."

"Il s'agit de la première démonstration d'impression 3D de cellules vivantes immobilisées pour créer des réacteurs chimiques, " dit l'ingénieur Duoss, un co-auteur sur le papier. « Cette approche promet d'accélérer la production d'éthanol, moins cher, plus propre et plus efficace. Maintenant, nous étendons le concept en explorant d'autres réactions, y compris la combinaison de microbes imprimés avec des réacteurs chimiques plus traditionnels pour créer des systèmes « hybrides » ou « en tandem » qui ouvrent de nouvelles possibilités. »