Инженеры MIT решили проблему прилипания клеток в биореакторах и других отраслях
Для смягчения изменения климата компании используют биореакторы для выращивания водорослей и других микроорганизмов, которые поглощают CO2 в сотни раз эффективнее деревьев. В фармацевтической промышленности культивирование клеток применяется для производства биологических препаратов и передовых методов лечения, включая спасительную генную и клеточную терапию.
Оба процесса затруднены склонностью клеток прилипать к поверхностям, что приводит к огромным потерям и простоям на очистку. Аналогичная проблема замедляет производство биотоплива, мешает работе биосенсоров и имплантатов, снижает эффективность пищевой и пивоваренной промышленности.
Исследователи MIT разработали метод отсоединения клеток от поверхностей по требованию с помощью электрохимически генерируемых пузырьков. В статье с открытым доступом, опубликованной в Science Advances, они продемонстрировали свой подход на лабораторном прототипе и показали, что он работает для различных типов клеток и поверхностей, не повреждая клетки.
«Мы хотели создать технологию с высокой пропускной способностью, по принципу "включи и работай", позволяющую клеткам прикрепляться и отсоединяться по требованию для оптимизации рабочих процессов», — говорит профессор Крипа Варанаси, старший автор исследования.
Решение липкой проблемы
Исследователи начали с миссии по эффективному улавливанию CO2 и его преобразованию в ценные продукты. Фотобиореакторы, используемые для выращивания поглощающих углерод водорослей, требуют частой очистки, так как прилипшие водоросли блокируют свет.
«Реактор приходится останавливать и чистить целиком так часто, как раз в две недели. Это огромная операционная проблема», — отмечает Варанаси.
В других отраслях также существуют проблемы из-за естественной адгезии клеток. Существующие решения, такие как механическая очистка, токсичные покрытия или использование ферментов в фармацевтике, имеют недостатки: могут повреждать клетки, требуют времени и создают много биологических отходов.
Новый подход: электрохимические пузырьки
Исследователи решили использовать пузырьки, формирующиеся непосредственно на поверхности, чтобы создать локальный поток жидкости и напряжение сдвига, удаляющее клетки. Электрический ток генерирует пузырьки, расщепляя воду на водород и кислород.
Ключевой проблемой было то, что хлорид натрия в среде для культивирования клеток в сочетании с током превращается в отбеливатель, повреждающий клетки. Решение заключалось в разделении электродов.
Команда создала стеклянную поверхность площадью 3 квадратных дюйма с нанесённым сверху тонким золотым электродом, не блокирующим свет. Второй электрод был отделён специальной мембраной, пропускающей только протоны. Эта установка позволила пропускать ток без образования отбеливателя.
В экспериментах водорослевые клетки из концентрированного раствора прилипали к поверхностям. При подаче напряжения пузырьки отделяли клетки от поверхностей, не причиняя им вреда.
Исследователи изучили взаимодействие пузырьков и клеток, обнаружив, что чем выше плотность тока, тем больше пузырьков образуется и тем больше водорослей удаляется. Они разработали модель для расчёта необходимого тока в различных условиях и подтвердили её экспериментами с водорослями, а также клетками рака яичников и костными клетками.
«Клетки млекопитающих на порядки чувствительнее клеток водорослей, но даже их мы смогли отсоединить без влияния на жизнеспособность», — говорит соавтор Берт Вандерейдт.
Масштабирование и перспективы
Система может стать прорывом в областях, где отбеливатель или другие химикаты вредят клеткам, включая фармацевтику и производство продуктов питания.
«Если мы сможем поддерживать работу этих систем без обрастания и других проблем, то сделаем их гораздо более экономичными», — говорит Варанаси.
Для индустрии клеточных культур команда представляет систему с электродом, который можно роботизированно перемещать от одной культуральной чашки к другой для отсоединения клеток по мере их роста. Её также можно намотать вокруг систем сбора водорослей.
«Это решение имеет общую применимость, поскольку не зависит от конкретных биологических или химических обработок, а основано на физической силе, не зависящей от системы. Оно также легко масштабируется для многих процессов, включая удаление частиц», — отмечает Варанаси.
Он предупреждает, что для масштабирования системы предстоит много работы, но надеется, что однажды она сделает сбор водорослей и других клеток более эффективным.
«Горящая проблема нашего времени — как-то улавливать CO2 экономически целесообразным способом. Эти фотобиореакторы можно использовать для этого, но мы должны решить проблему адгезии клеток», — заключает Варанаси.