VINACHEM

Bằng cách sử dụng máy in 3D và mực in là hydrogel tẩm tế bào nấm men sống, các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Washington (Mỹ) đã chế tạo thiết bị phản ứng sinh học có thể lên men đường thành etanol liên tục trong nhiều ngày. Nguyên liệu được in ra là một lưới gel có kích thước như một viên đường. Nó giúp cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học, lên men bia và tổng hợp thuốc cũng như các hóa chất khác trở nên dễ dàng, nhanh và rẻ tiền hơn.

Việc gắn tế bào sống vào hydrogel không phải là ý tưởng mới. Các kỹ sư công nghệ sinh học đã đạt được một số thành công khi áp dụng cách làm này với tế bào động vật có vú, qua đó tạo ra mô mới cũng như toàn bộ cơ quan mới của cơ thể. Từ thập niên 1980, các nhà nghiên cứu đã tìm cách gắn các dạng tế bào khác, ví dụ nấm men, vi khuẩn và tảo lên hydrogel để sử dụng trong các quá trình tổng hợp hóa học. Những vật liệu gel như vậy có thể giúp tăng tốc độ và giảm chi phí của các quá trình sản xuất công nghiệp - những quá trình này thường được thực hiện theo mẻ hoặc trong các thiết bị phản ứng sinh học cỡ lớn. Ví dụ, khi sản xuất etanol người ta cấp đường cho nấm men, sau vài ngày thiết bị phản ứng sẽ được đóng lại để tách sản phẩm rượu ra khỏi hỗn hợp và tách riêng tế bào chết.

Theo các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Washington, việc giữ nấm men bên trong hydrogel sẽ giúp loại bỏ nhu cầu tách tế bào như trên, nhờ đó sản phẩm rượu có thể được cho chảy ra ngoài một cách dễ dàng. Cách làm này cũng giúp bảo vệ tế bào nấm men trước những hóa chất độc hại có thể phát sinh trong quá trình phản ứng, do đó cho phép chúng hoạt động lâu hơn.

áp dụng công nghệ in 3D đối với gel gắn tế bào là cách nhanh nhất để sản xuất nguyên liệu sinh học. Tuy nhiên, phân phối đều tế bào trong cấu trúc 3D và giữ cho chúng sống không phải là việc dễ dàng. Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học thường sử dụng polyme sinh học như canxi aginat hoặc hyaluronic axit. Nhưng những loại gel này thường bắt đầu phân hủy sau vài ngày, do đó tế bào sẽ chết quá sớm hoặc thẩm thấu ra ngoài.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Washington đã sử dụng polyme tổng hợp để làm mực in bằng cách bổ sung dimethacrylat vào Pluronic F127 - một loại đồng trùng hợp 3 khối, có bán sẵn trên thị trường. Polyme này có 3 tính chất khiến cho nó trở thành mực in 3D tốt. Tính chất trước tiên là nó không bị phân hủy. Tính chất thứ hai là khả năng thay đổi trạng thái theo nhiệt độ: nó hóa lỏng ở 5oC nhưng trở thành gel ở 23oC, nhờ đó các nhà khoa học có thể bổ sung nấm men vào gel lỏng ở nhiệt độ thấp và làm ấm gel để các tế bào phân phối đồng đều. Tính chất thứ ba là gel này sẽ trở nên hơi loãng khi chịu áp lực, vì vậy nó có thể dễ dàng được phun ra từ vòi phun của máy in 3D.

Sử dụng mực in với thành phần hydrogel và nấm men, các nhà khoa học đã in các khối lưới lập phương có cạnh 15 mm và chiếu ánh sáng cực tím lên khối lưới này để tạo thành các liên kết ngang cho hydrogel.

Để kiểm tra hiệu quả lên men của lưới hydrogel, các nhà nghiên cứu đã ngâm nó trong môi trường nuôi cấy có chứa 2% glucoza trong thời gian 2 tuần, dung dịch được thay mới sau mỗi đợt 3-4 ngày. Kết quả phân tích cho thấy, các tế bào nấm men đã chuyển hóa trung bình 90% glucoza thành etanol sau 2 tuần.

Thời gian hoạt động của khối lưới men còn có thể dài hơn. Hydrogel đã ngăn không cho nấm men phát triển, nhưng chúng vẫn có hoạt tính trao đổi chất. Các nhà nghiên cứu cho biết, nấm men trong lưới có thể duy trì khả năng lên men trong nhiều tháng.

ý tưởng của các nhà khoa học là sẽ in những khối lưới như trên, xếp chúng thành cột và cho nguyên liệu chảy qua. Quá trình vận hành liên tục như vậy sẽ có hiệu quả cao hơn quá trình sản xuất mẻ đang được áp dụng hiện nay khi lên men công nghiệp và sản xuất hóa chất. Hơn nữa, bằng cách sử dụng các loại tế bào khác và vi khuẩn biến đổi gen, các nhà nghiên cứu có thể phát triển các quá trình để sản xuất những hợp chất có giá trị như thuốc kháng sinh và protein.

Việc tạo ra nguyên liệu sống ở quy mô lớn với chi phí thấp và giữ cho chúng ổn định khi áp dụng ở quy mô công nghiệp có thể là thách thức lớn. Tuy nhiên, trước mắt công nghệ trên có thể được áp dụng để sản xuất các sản phẩm giá trị cao, ví dụ một số loại dược phẩm đắt tiền.

HV

Theo Chemical & Engineering News, 6/2018