"Из ресурсов, которые обычно сжигаются или компостируются, в мире все чаще пытаются извлечь новую ценность", – сказал младший научный сотрудник по материаловедению Ханс Прикс порталу Novaator. Его особенно интересовали отходы биологического происхождения: их образуется много как в сельском хозяйстве, например в виде соломы после сбора урожая, так и при очистке сточных вод.

Многие такие остатки можно использовать как "пищу" для микробов, чтобы превратить их во что-то новое и полезное. "Например, подойдут и хлопчатобумажные ткани, состоящие из целлюлозы. При их измельчении и разложении, можно получить глюкозу – одно из любимых питательных веществ микроорганизмов", – привел он пример.

В недавно защищенной докторской работе Прикс стремился сделать производство с использованием микроорганизмов более эффективным. Сейчас производственные микробы в основном выращивают в жидкости: клетки помещают в питательный раствор, среду поддерживают однородной путем перемешивания и аэрации, а в конце процесса отделяют продукт и биомассу.

"Это работает хорошо, но если думать о переработке отходов вне идеальной лаборатории, например на очистных сооружениях или в реальной среде, возникают две большие проблемы, – отметил Прикс. – Во-первых, безопасность и контроль: если используются генетически модифицированные микробы с повышенной продуктивностью, важно, чтобы они не попали в окружающую среду. Во-вторых, стабильность: во внешней среде есть собственные микроорганизмы, меняющаяся химия и механические нагрузки, от которых следует защищать производственные штаммы".

Поэтому Прикс испытал новый тип гидрогелевых кубиков как рабочее место для микробов. "Если поместить их внутрь материала, который способен их удерживать, это дает возможности для более безопасного и широкого применения технологии", – рассуждает молодой доктор.

Завод, отель или норвежская тюрьма?

В своей работе Ханс Прикс попытался создать своего рода "завод" для микроорганизмов, где они могли бы спокойно выполнять свою работу. "Цель состояла в создании структуры, в которую могли бы максимально легко проникать питательные вещества и где клетки могли бы жить, расти и работать", – отметил он. При этом такой "завод" должен быть достаточно закрытым: если его поместить, например, на очистные сооружения, микроорганизмы из окружающей среды не должны проникнуть внутрь и вытеснить производственные штаммы.

Такие "заводы" Прикс создавал из мицеллярных гидрогелей – водонасыщенных полимерных материалов, более чем на 70% состоящих из воды. "После полимеризации гель может напоминать резину или высохший силикон: на ощупь он влажный, но при этом удивительно прочный", – пояснил он. Хотя гидрогель может напоминать желе, Прикс выбрал более упругий состав. "Материал должен выдерживать интенсивное перемешивание и сохранять форму даже тогда, когда в реакторе сотни или тысячи таких объектов", – добавил ученый.

При низкой температуре используемые материалы были жидкими, а при комнатной напоминали зубную пасту. В материал он добавлял разные микроорганизмы – дрожжи, бактерии и водоросли, а также инициатор, который после печати вызывал затвердевание и помогал объекту сохранить форму.

"Я загружал пасту в шприц и печатал на 3D-принтере объекты с разной структурой", – сказал Прикс. Хотя можно печатать очень сложные конструкции, в лабораторных испытаниях он в основном ограничивался минималистичными гидрогелевыми кубиками. "Можно представить это как отель для микробов. При печати я могу очень точно задать, кто и где живет – на каком этаже", – пояснил он.

При этом микробам должно быть комфортно: образно говоря, еда на столе, а отходы удаляются. В некотором смысле кубик напоминает удобную норвежскую тюрьму – в идеале ни один микроб не должен попасть наружу. "Я понял, в каком направлении нужно развивать материалы, чтобы удерживать клетки дольше", – отметил он.

Более медленное, но более чистое и повторно используемое производство

Надежность кубиков Прикс проверял с помощью пивных дрожжей: он давал им глюкозу и измерял образование этанола. "Это упрощенная система, но идея шире: в более сложных решениях микробы могли бы производить лекарственные соединения, ферменты, белки или исходные вещества для химической промышленности", – сказал он.

По словам ученого, гидрогелевые кубики позволили бы перейти к непрерывному производству: вместо того чтобы после каждого цикла полностью очищать реактор, можно было бы постоянно подавать питательные вещества с одного конца системы и забирать продукт с другого. Это сократило бы простои и потребность в стерилизации, сэкономив время и энергию. Кубики при необходимости можно использовать повторно.

Однако у них есть ограничения: биопроцессы в кубиках идут медленнее, чем у клеток, свободно растущих в растворе. Поэтому сейчас они плохо подходят, например, для фармацевтики, где производятся крупные молекулы, такие как терапевтические белки – их движение через гель слишком медленное. "Если сеть слишком плотная, она замедляет перенос веществ. Нужно придумать, как сделать ее более рыхлой, не потеряв механическую прочность", – поясняет Прикс.

Кубик в космосе и принцип "один размер не подходит всем"

По словам Прикса, в мире все активнее изучают гидрогели как материал для биофабрик, поскольку они объединяют биологию и инженерию. "Живые клетки дают функцию, материал дает контроль", – уточнил он.

В будущем такие кубики могли бы использоваться даже в космических миссиях. "Если взять их в высушенном виде, то в случае необходимости можно просто поместить в питательную среду. Кубик гидратируется, клетки "просыпаются" и начинают производить нужное соединение – например, лекарство", – пояснил он. Пока это не решение для массового производства, но в особых случаях может быть очень перспективным.

Разработанный материал удерживал клетки до семи дней – по лабораторным меркам это очень хороший результат. Сам процесс в кубике происходил уже в течение 24 часов. Далее Прикс с коллегами исследует, как изменить структуру кубиков для расширения их применения, а также возможно ли создавать более прочные варианты, например, из целлюлозы.

"Я получил представление о том, какие параметры нужно учитывать в будущем при решении конкретных задач. Один размер не подходит всем", – сказал он. Если же построить для микробов правильные "гелевые отели", отходы могут превратиться в новую ценность, а биотехнология станет более безопасным, чистым и гибким инструментом.

Ханс Прикс защитил докторскую работу по экологической инженерии под названием "Life within 3D-printed engineered living materials based on micellar hydrogels" ("Жизнь в 3D-печатных живых материалах на основе мицеллярных гидрогелей") 29 января в Тартуском университете. Научным руководителем был профессор Тармо Тамм, оппонентом – сопрофессор Датского технического университета Йохан Ульрик Линд.