Биореакторы на чипе возобновляют перспективы биотоплива из водорослей

Колонии водорослей внутри капель на чипе. Липиды водорослей окрашиваются в красный цвет. Предоставлено: Лаборатория NanoBio Systems @ Texas A|M.

Уже более десяти лет компании обещают будущее возобновляемого топлива из водорослей. Инвесторы, заинтересованные в том, чтобы отвести мир от ископаемого топлива, вложили в эту работу сотни миллионов долларов, и на то есть веские причины. Водоросли быстро размножаются, и для их накопления в огромных количествах требуется немного больше, чем вода и солнечный свет, которые затем преобразуют атмосферный CO.₂ в липиды (масла), которые можно собирать и легко перерабатывать в биодизель.

Несмотря на громкие демонстрации, обещания не оправдались, и стартапы пересмотрели бизнес-модели, включив в них производство специальных липидов, таких как те, которые используются в косметике и мыле. Тем не менее, мечта о производстве возобновляемой энергии в коммерческих масштабах сохраняется, поскольку появляются новые технологии, которые могут, наконец, вывести водорослевое биотопливо на конкурентную нишу на рынке.

Одним из многих улучшений, необходимых для устойчивого производства биотоплива из водорослей, является разработка лучших водорослей. На этой неделе исследователи из Института Бойса Томпсона и Техасского университета A|M сообщают, что Прямой завод захватывающая новая технология, которая может коренным образом изменить поиск идеального штамма водорослей: биореакторы с каплями водорослей на чипе.

Единственная клетка водорослей заключена в крошечную каплю воды, инкапсулированную маслом — представьте крошечные капельки, которые образуются, когда вы смешиваете растительное масло с водой — затем миллионы капель водорослей выдавливаются на чип размером примерно с четверть. Каждая капля представляет собой микробиореактор, строго контролируемую среду, в которой клетки водорослей могут расти и размножаться в течение нескольких дней, образуя генетически однородную колонию, которая проходит свои типичные биологические реакции, включая выработку липидов.

«Это первая микросистема, которая позволяет выполнять как анализ содержания липидов, так и измерение скорости роста с высокой пропускной способностью, в то время как предыдущие работы могли выполнять только одно или другое», — отметил старший автор и инженер Арум Хан из Техасского университета A|M.

Ученые стремятся идентифицировать суперштамм водорослей, который может быстрее воспроизводиться и производить больше липидов на клетку. Этим летом ExxonMobil объявила об открытии штамма с единственной генетической модификацией, которая позволяет в два раза увеличить выработку липидов на клетку. Но это только шаг в правильном направлении, поскольку тысячи генов обладают потенциалом для дальнейшего улучшения обеих характеристик.

С современными технологиями редактирования генов изменение генов водорослей может быть относительно простым; однако определение того, на какие гены нацеливаться, требует много времени и средств. Воздействие мутагена на культуру водорослей приводит к получению миллионов уникальных, потенциально улучшенных клеток водорослей, каждая из которых должна быть проверена на экспрессию желаемого признака, такого как повышенная выработка липидов. Затем мутировавшие гены можно идентифицировать с помощью полногеномного секвенирования.

«Важно разработать инструмент, который может сканировать миллионы клеток в гораздо более короткие сроки и на меньшем пространстве. В чипе, содержащем миллионы капель клеток, каждая капля похожа на колбу или биореактор, и именно поэтому мы можем быстрее получать результаты, используя всего лишь крошечный чип», — объяснил автор и постдок BTI Ши-Чи Хсу.

Исследователи сначала проверили систему чипов с водорослями, которые, как известно, растут быстрее или медленнее или производят больше или меньше липидов. Затем они проверили 200 000 химически мутировавших клеток, идентифицировав шесть мутантов с более быстрым ростом и более высоким содержанием липидов. Скрининг, выполненный на чипе, использует флуоресцентное обнаружение хлорофилла, представляющего общую клеточную массу, и BODIPY, флуоресцентной молекулы, которая связывается с липидами. Все мутанты с потенциалом для улучшенного роста или продукции липидов были восстановлены и проверены вне чипа.

Хотя результаты этого исследования являются многообещающими, 200 000 мутантов по-прежнему мало по сравнению с тем, что необходимо для обнаружения этого штамма суперводорослей. «Самые необычные варианты будут обнаружены в одном случае на миллион или десять миллионов, поэтому пропускную способность необходимо ускорить», — пояснил старший биолог и президент BTI Дэвид Стерн.

Удивительно, но инструменты для повышения пропускной способности уже находятся в разработке, в том числе более крупные чипы, которые могут фильтровать миллионы капель в одном эксперименте. «Такие высокопроизводительные технологии могут быстро ускорить процесс разработки для получения штаммов, более эффективных для использования в производстве биотоплива», — отметил Хан.

С открытием и разработкой гораздо более эффективных штаммов водорослей производство биотоплива из водорослей в промышленных масштабах, наконец, может стать реалистичным обещанием.

Исследование, о котором сообщается в этом пресс-релизе, было поддержано грантом № 1240478 Национального научного фонда (NSF) Emerging Frontiers in Research and Innovation (EFRI).