Для борьбы с изменением климата компании используют биореакторы для выращивания водорослей и других микроорганизмов, которые в сотни раз эффективнее поглощают $CO_2$, чем деревья. В фармацевтической промышленности клеточные культуры применяют для производства биологических препаратов и других передовых методов лечения, включая спасающие жизни генную и клеточную терапию.
Однако оба процесса затруднены из-за тенденции клеток прилипать к поверхностям, что приводит к огромным потерям и простоям на очистку. Аналогичная проблема замедляет производство биотоплива, мешает работе биосенсоров и имплантатов, а также снижает эффективность пищевой и других отраслей.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали подход для отсоединения клеток от поверхностей по требованию, используя электрохимически генерируемые пузырьки. В статье, опубликованной в журнале Science Advances, исследователи продемонстрировали свой подход на лабораторном прототипе и показали, что он может работать с различными клетками и поверхностями, не повреждая клетки.
Профессор Крипа Варанаси, старший автор исследования, говорит: «Мы хотели разработать технологию, которая могла бы быть высокопроизводительной и готовой к использованию, и которая позволила бы клеткам прикрепляться и отсоединяться по требованию для улучшения рабочего процесса в этих промышленных процессах».
Исследователи начали с миссии по разработке технологии, которая могла бы быть высокопроизводительной и готовой к использованию, и которая позволила бы клеткам прикрепляться и отсоединяться по требованию для улучшения рабочего процесса в этих промышленных процессах.
«Мы работали над выяснением того, как мы можем эффективно улавливать $CO_2$ из различных источников и преобразовывать его в ценные продукты для различных конечных рынков, — говорит Варанаси. — Именно здесь на сцену выходят этот фотобиореактор и отделение клеток».
Фотобиореакторы используются для выращивания поглощающих углерод клеток водорослей путём создания строго контролируемой среды, включающей воду и солнечный свет. Они оснащены длинными извилистыми трубками с прозрачными поверхностями, пропускающими свет, необходимый водорослям для роста. Когда водоросли прилипают к этим поверхностям, они блокируют свет, что требует очистки.
«Вы должны останавливать работу и очищать весь реактор каждые две недели, — говорит Варанаси. — Это огромная эксплуатационная проблема».
Исследователи поняли, что в других отраслях существуют аналогичные проблемы из-за естественного прилипания многих клеток. В каждой отрасли есть своё решение проблемы клеточного прилипания в зависимости от того, насколько важно, чтобы клетки выжили. Некоторые очищают поверхности скребками, в то время как другие используют специальные покрытия, токсичные для клеток.
В фармацевтической и биотехнологической отраслях отсоединение клеток обычно осуществляется с помощью ферментов. Однако этот метод сопряжён с рядом проблем: он может повредить клеточные мембраны, требует много времени и большого количества расходных материалов, что приводит к миллионам литров биоотходов.
Чтобы создать лучшее решение, исследователи начали с изучения других попыток очистки поверхностей с помощью пузырьков, которые в основном включали распыление пузырьков на поверхности и были в значительной степени неэффективны.
«Мы поняли, что пузырьки должны образовываться на поверхностях, где мы не хотим, чтобы эти клетки прилипали, — объясняет Варанаси. — Так, когда пузырьки отделяются, создаётся локальный поток жидкости, который создаёт напряжение сдвига на границе раздела и удаляет клетки».
Электрические токи генерируют пузырьки, расщепляя воду на водород и кислород. Но предыдущие попытки использовать электричество для отделения клеток были затруднены из-за того, что культуральные среды для клеток содержат хлорид натрия, который в сочетании с электрическим током превращается в отбеливатель. Отбеливатель повреждает клетки, что делает его непрактичным для многих применений.
«Виной всему анод — именно там хлорид натрия превращается в отбеливатель, — объясняет Вандерэйдт. — Мы поняли, что если мы сможем отделить этот электрод от остальной системы, мы сможем предотвратить образование отбеливателя».
Чтобы создать более совершенную систему, исследователи создали стеклянную поверхность площадью 3 квадратных дюйма и нанесли на неё золотой электрод. Слой золота настолько тонкий, что не блокирует свет. Чтобы отделить другой электрод, исследователи интегрировали специальную мембрану, которая пропускает только протоны. Такая система позволила учёным пропустить ток без образования отбеливателя.
Чтобы проверить свою установку, они позволили клеткам водорослей из концентрированного раствора прилипнуть к поверхностям. При подаче напряжения пузырьки отделяли клетки от поверхностей, не повреждая их.
Исследователи также изучили взаимодействие между пузырьками и клетками, обнаружив, что чем выше плотность тока, тем больше пузырьков образуется и тем больше удаляется водорослей. Они разработали модель для понимания того, сколько тока потребуется для удаления водорослей в различных условиях, и сопоставили её с результатами экспериментов с водорослями, а также с клетками рака яичников и костями.
«Клетки млекопитающих на порядки чувствительнее, чем клетки водорослей, но даже с этими клетками мы смогли отделить их без ущерба для жизнеспособности клеток», — говорит Вандерэйдт.
Исследователи говорят, что их система может стать прорывом в приложениях, где отбеливатель или другие химические вещества могут повредить клетки. Это включает фармацевтическое и пищевое производство.
«Если мы сможем поддерживать работу этих систем без засорения и других проблем, то мы сможем сделать их гораздо более экономичными», — говорит Варанаси.
Для планшетов с клеточными культурами, используемых в фармацевтической промышленности, команда представляет свою систему, состоящую из электрода, который может быть роботизированно перемещён от одной культуральной пластины к другой для отделения клеток по мере их роста. Его также можно обмотать вокруг систем сбора водорослей.
Варанаси предупреждает, что предстоит проделать большую работу, чтобы масштабировать систему. Но он надеется, что однажды она сможет сделать сбор водорослей и других клеток более эффективным.
«Сгорающей проблемой нашего времени является необходимость каким-то образом улавливать $CO_2$ экономически целесообразным способом, — говорит Варанаси. — Эти фотобиореакторы могут быть использованы для этого, но мы должны преодолеть проблему клеточного прилипания».
Другие новости по теме
- Муравьи изменяют структуру своих гнёзд, чтобы предотвратить эпидемии, показало исследование
- Учёные обнаружили странный череп с рогами, который старше динозавров
- Уникальное открытие управляющего белка паразита в мозге даёт надежду на улучшение лечения токсоплазмоза
- Учёные обнаружили «шоссе динозавров» возрастом 165 миллионов лет там, где меньше всего этого ожидали
- Открытие сотен бактериофагов в кишечнике человека открывает новый подход к изучению микробиома кишечника
- Совмещение химического и генетического анализа древесины помогает бороться с незаконной торговлей
- Крупнейший примат в Америке может потерять до 61% подходящей климатической среды к 2090 году
- Воздействие свинца в древности могло повлиять на эволюцию человеческого мозга
- Свинец отравляет человека более двух миллионов лет
- Потрясающее явление в небе: «Радужная лестница» в Гонконге
Другие новости на сайте
- Канада, третий квартал 2025 года: продажи автомобилей
- Использование малоэлектронных импульсов: запутанность усиливает спектроскопию
- Сентябрь 2025 года, Польша: MG HS входит в топ-10, рост рынка на 20,2%
- Hero MotoCorp выходит на испанский рынок, запустив линейку Xpulse 200 и Hunk 440
- Метод обучения генеративных ИИ-моделей для поиска персонализированных объектов
- QeRL: квантизированное обучение с подкреплением в формате NVFP4 позволяет обучать модели LLM размером 32B на одном H100, улучшая при этом исследование пространства
- Двойной урок математики, первое занятие: выпуск 3A
- Сигнальные каскады на основе ДНК — новый способ мониторинга лекарственной терапии в домашних условиях
- Собаки-ищейки в реальных условиях: необходимость расширения доступа к материалам для обучения поиску взрывчатых веществ
- Вьетнам, сентябрь 2025 года: бестселлером стал VinFast VF 5, Limo Green занимает четвёртое место