研究者によると、医薬品や化学物質を製造・保存する新たな手法は、水を基材とするゲル（ヒドロゲル）の中に、持ち運び可能な「バイオファクトリー」を組み込むというものである。
この手法は、遠隔地の村や軍事任務に従事する人々の助けとなる可能性がある。こうした状況では、薬局や診療所がなく、基本的な冷蔵設備すら整っていないため、重要な医薬品やその他の低分子化合物を入手することが困難である。
「これらの進展により、将来的には低分子およびペプチド製品のオンデマンド生産に向けた新技術が実現すると考えている」と、ワシントン大学で化学の准教授を務め、分子工学・科学研究所の教員でもあるアルシャキム・ネルソン氏は書いている。同氏の「解説記事」の中で、論文の掲載誌であるNature Communications。
「この技術は、スペースや資源が限られた遠隔地や孤立した地域で特に有用であり、有人宇宙ミッションや個別化医療にも応用できる可能性がある。」
ヒドロゲル内のバイオファクトリー
本システムは、製品を過剰に生産するよう遺伝子操作した細胞である微生物のバイオファクトリーを、ヒドロゲルの固体の足場に効果的に組み込むものであり、持ち運びが可能で、製造の最適化も実現する。燃料や医薬品製造などのプロセスに用いられる高付加価値の化学原料を、その場で生産するため、個々の微生物と微生物群集の両方を組織化できる初のヒドロゲルベースのシステムである。数時間から数日のうちに製品を生産することが可能である。
「私たちが使用する化学品、燃料、栄養補助食品、医薬品の多くは、従来の発酵技術に依存しています」と、テキサス大学オースティン校で化学工学の教授を務めるハル・アルパー氏は述べている。
「私たちの技術は、合成生物学およびバイオプロセシングの分野における大きな制約に対処するものです。すなわち、単一培養および共培養のいずれからも、化学品および抗生物質をオンデマンドかつ反復利用可能な形で生産する手段を提供する能力です」と、同氏は述べている。
架橋ポリマーとして、本研究で用いられたヒドロゲルは3Dプリントや手動での押出成形が可能である。ゲル素材は、内部の細胞とともに液体のように流動し、紫外線に曝露されると硬化する。形成されたポリマーネットワークは、分子やタンパク質が通過できる程度に大きい一方で、細胞が漏れ出すには空間が狭すぎる。
研究チームはまた、ヒドロゲルシステムを凍結乾燥することで、バイオファクトリーの発酵能力を、将来必要になるまで効果的に保存できることを明らかにした。凍結乾燥の結果は、縮んでいるものの良好な状態で保存された古代のミイラにいくらか似ている。
ヒドロゲルを復活させるには、研究者らは水、糖、その他の基本的な栄養素を加えるだけでよく、細胞は保存処理を行う前と同様に効果的に生産を再開できる。
プラグアンドプレイ
このプラットフォームが可能にする新たな応用の一つは、コンソーシアムと呼ばれる複数の異なる生物を組み合わせることで、従来の大規模バイオリアクターを上回る性能を発揮できる点である。
特に、本システムにより、化学品製造の組み合わせと最適化をプラグアンドプレイ方式で行うことが可能になる。例えば、ある酵素群が細菌の「E. coli」で最も効果的に機能する一方、別の酵素群は出芽酵母で最も効果的に機能する場合、この2種の生物は協働して、より効率的に製品へ直接到達できる。研究チームはこれら両方の生物を試験した。
本プラットフォームには、複数の細胞種を増殖中も分離しておき、一方が他を圧倒して滅ぼすことを防ぐという、マルチタスク機能の付加的な利点もある。同様に、研究チームは温度範囲を試験することで、システムの動態を制御し、複数の細胞種の増殖をバランスよく保つことができた。
最後に、研究チームは酵母細胞を用いたシステムの連続的かつ反復的な利用を1年間にわたって実証し、収量の低下がないことを確認した。これは、このプロセスが長期的に持続可能であることを示している。
手軽で持ち運び可能
抗生物質などの医薬品には使用期限が定められており、特定の保管条件が必要である。これらの分子を合成できるバイオファクトリーは持ち運びが可能であるため、冷蔵設備がなく医薬品を保管できない遠隔地において、ヒドロゲルシステムは特に有用である。
また、軍事任務や火星への有人ミッションのように、薬局や店舗を利用できない状況において、複数の医薬品やその他の必須化学物質を入手し続けるための、小型でコンパクトな方法ともなり得る。まだ完全な実用段階には至っていないものの、その可能性は有望である。
「この技術は、幅広い製品や細胞種に応用できます。エンジニアや科学者が、特定のシナリオに必要な多様な製品を製造するために、さまざまな細胞コンソーシアムをプラグアンドプレイで組み合わせて使用できるようになると考えています」とアルパー氏は述べる。「そここそが、この技術を非常にエキサイティングなものにしている点です。」
その他の共著者はワシントン大学およびテキサス大学に所属している。本研究への資金は、カミーユ・アンド・ヘンリー・ドレイファス財団、ワシントン大学、およびロイヤルティ研究基金から提供された。
