Биореакторы на чипе возрождают надежды на биотопливо из водорослей

На протяжении более десяти лет компании обещали будущее возобновляемого топлива из водорослей. Инвесторы, заинтересованные в отказе от ископаемого топлива, вложили сотни миллионов долларов в эти усилия. Водоросли быстро размножаются, требуя лишь воды и солнечного света, накапливают большую биомассу и преобразуют атмосферный CO₂ в липиды (масла), которые можно собрать и переработать в биодизель.

Несмотря на громкие демонстрации, обещания не сбылись, и стартапы переключились на производство специальных липидов для косметики и мыла. Однако мечта о коммерческом производстве возобновляемой энергии сохраняется благодаря новым технологиям.

Одно из необходимых улучшений — создание лучших штаммов водорослей. На этой неделе исследователи из Boyce Thompson Institute и Техасского университета A&M сообщили в Plant Direct о новой технологии, которая может революционизировать поиск идеального штамма: капельные биореакторы для водорослей на чипе.

Отдельная клетка водоросли захватывается в крошечную каплю воды, инкапсулированную в масло. Миллионы таких капель размещаются на чипе размером с монету. Каждая капля — это микро-биореактор, контролируемая среда, где клетки могут расти и размножаться несколько дней, образуя генетически однородную колонию и производя липиды.

«Это первая микросистема, которая позволяет одновременно анализировать содержание липидов и измерять скорость роста с высокой пропускной способностью, тогда как предыдущие работы могли делать только что-то одно», — отметил старший автор, инженер Арум Хан из Техасского университета A&M.

Ученые стремятся идентифицировать «суперштамм», который быстрее размножается и производит больше липидов на клетку. Этим летом ExxonMobil объявила об открытии штамма с единичной генетической модификацией, позволяющей удвоить производство липидов. Но это лишь шаг вперёд, поскольку тысячи генов потенциально могут улучшить оба признака.

Современные технологии редактирования генов делают модификацию генов водорослей относительно простой; однако определение целевых генов требует много времени и средств. Воздействие мутагеном на культуру водорослей даёт миллионы уникальных, потенциально улучшенных клеток, которые необходимо протестировать на желаемый признак, например, увеличение производства липидов. Затем мутировавшие гены можно идентифицировать с помощью полногеномного секвенирования.

«Важно разработать инструмент, который может просеивать миллионы клеток за гораздо меньшее время и в меньшем пространстве. В чипе, содержащем миллионы капель с клетками, каждая капля — как колба или биореактор, и так мы можем получить результаты быстрее с помощью крошечного чипа», — объяснил автор, постдок BTI Ши-Чи Хсу.

Исследователи сначала проверили систему на чипе с водорослями, известными своим быстрым или медленным ростом, а также высоким или низким содержанием липидов. Затем они просеяли 200 000 химически мутировавших клеток и выявили шесть мутантов с более быстрым ростом и более высоким содержанием липидов. Скрининг на чипе использует флуоресцентное обнаружение хлорофилла (общая биомасса) и BODIPY (флуоресцентная молекула, связывающаяся с липидами). Все перспективные мутанты были извлечены и проверены вне чипа.

Хотя результаты обнадёживают, 200 000 мутантов — всё ещё мало для поиска суперштамма. «Самые необычные варианты встречаются один на миллион или десять миллионов, поэтому пропускную способность необходимо увеличивать», — пояснил старший биолог, президент BTI Дэвид Стерн.

Инструменты для увеличения пропускной способности уже разрабатываются, включая более крупные чипы для скрининга миллионов капель за один эксперимент. «Такие высокопроизводительные технологии могут резко ускорить процесс получения штаммов, более эффективных для производства биотоплива», — отметил Хан.

С открытием и созданием гораздо более эффективных штаммов водорослей коммерческое производство биотоплива из них может наконец стать реальностью.