Un nuevo método para producir y conservar medicamentos y sustancias químicas consiste en incorporar «biofábricas» portátiles en geles a base de agua conocidos como hidrogeles, según informan los investigadores.
El enfoque podría ayudar a personas que viven en pueblos remotos o en misiones militares. En estas circunstancias, la ausencia de farmacias, consultas médicas o incluso una refrigeración básica dificulta el acceso a medicamentos esenciales y a otros compuestos de molécula pequeña.
«Esperamos que estos avances permitan nuevas tecnologías para la producción bajo demanda de productos de molécula pequeña y péptidos en el futuro», escribe Alshakim Nelson, profesor adjunto de Química y miembro de la facultad del Molecular Engineering & Sciences Institute de la Universidad de Washington, en un comentario que acompaña al artículo publicado en Nature Communications.
«Esta tecnología será especialmente aplicable en zonas remotas o aisladas, donde el espacio y los recursos son limitados, lo que podría incluir misiones espaciales tripuladas o medicamentos personalizados.»
Biofábricas en hidrogel
El sistema incorpora de manera eficaz biofábricas microbianas (células modificadas para sobreproducir un producto) en la estructura sólida de un hidrogel, lo que permite su portabilidad y una producción optimizada. Es el primer sistema basado en hidrogel que organiza tanto microbios individuales como consorcios para la producción en el momento de materias primas químicas de alto valor, utilizadas en procesos como la producción de combustibles y de productos farmacéuticos. El sistema puede producir compuestos en un plazo de entre un par de horas y un par de días.
«Muchos de los productos químicos, combustibles, nutracéuticos y farmacéuticos que utilizamos dependen de la tecnología de fermentación tradicional», afirma Hal Alper, catedrático de Ingeniería Química de la Universidad de Texas en Austin.
«Nuestra tecnología aborda una limitación importante en los campos de la biología sintética y el bioprocesamiento, a saber, la capacidad de ofrecer un medio para la producción tanto bajo demanda como de uso repetido de productos químicos y antibióticos a partir de cultivos mono y co-cultivos», afirma.
Como polímero reticulado, el hidrogel utilizado en este trabajo puede imprimirse en 3D o extruirse manualmente. El material gelificado, junto con las células que contiene, puede fluir como un líquido y luego endurecerse al exponerse a la luz UV. La red polimérica resultante es lo suficientemente grande como para que las moléculas y las proteínas puedan atravesarla, pero el espacio es demasiado pequeño para que las células se escapen.
El equipo también descubrió que la liofilización del sistema de hidrogel puede conservar eficazmente la capacidad de fermentación de las biofábricas hasta que se necesiten en el futuro. El resultado de la liofilización se asemeja en cierta medida a una antigua momia: arrugada, pero bien conservada.
Para reactivar el hidrogel, los investigadores simplemente añaden agua, azúcar y otros nutrientes básicos, y las células pueden reanudar la producción tan eficazmente como antes del proceso de conservación.
Plug-and-play
Una de las nuevas aplicaciones que permite la plataforma es la capacidad de combinar múltiples organismos diferentes, denominados consorcios, de una manera que supera a los biorreactores tradicionales de 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 variante de gemación de la levadura, los dos organismos pueden trabajar juntos para llegar de forma más eficiente directamente al producto. El equipo de investigación probó ambos organismos.
Esta plataforma tiene el beneficio adicional de la multitarea, al mantener separados los distintos tipos de células mientras crecen, evitando que una domine y elimine a las demás. Asimismo, al probar un rango de temperaturas, el equipo pudo controlar la dinámica del sistema, manteniendo equilibrado el crecimiento de múltiples tipos de células.
Por último, el equipo demostró un uso continuo y repetido del sistema, con células de levadura, durante un año completo sin disminución del rendimiento, lo que indica la sostenibilidad del proceso a lo largo del tiempo.
Práctico y portátil
Medicamentos como los antibióticos tienen una vida útil fija y requieren condiciones de almacenamiento específicas. La portabilidad de una biofábrica capaz de sintetizar estas moléculas hace que el sistema de hidrogel sea especialmente útil en lugares remotos que no disponen de refrigeración para almacenar medicamentos.
También sería una forma pequeña y compacta de mantener el acceso a varios medicamentos y otros productos químicos esenciales cuando no hay acceso a una farmacia o a una tienda, como durante una misión militar o una misión a Marte. Aunque todavía no está del todo lista, las posibilidades son prometedoras.
«Esta tecnología puede aplicarse a una amplia gama de productos y tipos de células. Prevemos que ingenieros y científicos puedan combinar distintos consorcios de células para producir diversos productos que se necesiten en un escenario específico», afirma Alper. «Eso es parte de lo que hace que esta tecnología sea tan emocionante.»
Los coautores adicionales proceden de la Universidad de Washington y de la Universidad de Texas. La investigación contó con financiación de la Camille and Henry Dreyfus Foundation, la Universidad de Washington y el Royalty Research Fund.
