Immobilization matrices for sustainable photosynthetic microbial cell factories – development of mechanically strong multicomponent hydrogels from nanocellulose and alginate

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Date

2021-08-24

Department

Major/Subject

Biotechnology

Mcode

CHEM3022

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

108 + 10

Series

Abstract

The development of immobilized photosynthetic microbial cell factories has recently been highlighted as a promising pathway to sustainably produce a range of valuable chemicals. Immobilization offers many benefits for the development of photosynthetic cell factories, for example, via optimizing light distribution and redirecting metabolism from growth to product formation. However, the cell immobilization matrices must be improved to withstand the forces present in a photobioreactor. In addition to the wet-state mechanical requirements, the matrices need to be biocompatible, transparent, and porous to enable photosynthesis within them. With a global trend of sustainability, the matrices would also preferably be biodegradable and of natural origin. Recently, TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TCNF) have been shown to outperform conventional matrix structures made from polymeric alginate. However, additional crosslinking with synthetic polyvinyl alcohol (PVA) is required in TCNF matrices to achieve sufficient wet strength. In this thesis, immobilization matrices were created by physically cross-linking TCNFs with ionically crosslinked alginate to make self-standing thin-layer hydrogels and hydrogel beads with interpenetrating network structures. Specifically, it was studied via rheology and compressive force measurements if the physical entanglement of two crosslinked networks from alginate and TCNF would be feasible alternative to covalent TCNF crosslinking with synthetic PVA without impairing the mechanical properties of the matrices in never-dried wet state. Furthermore, the photosynthetic functions of Synechocystis sp. PCC 6803 cells entrapped within the prepared materials were monitored to assess the biological compatibility of the matrices. It was discovered that high proportional ratio of TCNF in the multicomponent flat thin-layer hydrogels with 1 wt% total solid content improves the mechanical properties of the hydrogels under shear stress, and that the physical crosslink between TCNF and alginate quite well compares to the covalent PVA crosslink. In hydrogel beads, the addition of TCNF was not observed to enhance the mechanical properties during compression. However, the susceptibility of the beads to ion-chelating compounds decreased upon addition of TCNF. The cells in matrices with high TCNF content were also shown to maintain their photosynthetic efficiency and CO2 assimilation capabilities better than the cells in matrices with high alginate content. Together, these findings showcase the potential of “solid-state” cell factories with TCNF-alginate matrices as an alternative to conventional suspension cultivation of cells.

Erilaisten kemikaalien fotosynteettistä tuotantoa tutkitaan kasvavissa määrin liikkumattomissa, ts. ”immobilisoiduissa”, soluissa. Fotosynteettisten solutehtaiden kehitystyössä tuotantoon käytettävien solujen on havaittu hyötyvän immobilisoinnista, sillä se esimerkiksi optimoi solujen valonsaantia ja edesauttaa solujen metabolismin ohjautumista biomassan kasvattamisesta haluttujen metaboliittien tuotantoon. Soluja sisältävien immobilisointimatriisien tulee kuitenkin kestää kasvatusliuoksen sisältämien ionien ja vesiympäristön vaikutuksen lisäksi useita fotobioreaktoreissa vaikuttavia voimia, kuten leikkausjännitystä, puristusta ja taipumista. Lisäksi matriisien tulee olla bioyhteensopivia, läpinäkyviä ja huokoisia, jotta solujen fotosynteettinen koneisto voidaan optimoida tuotantokäyttöön. Kestävän kehityksen periaatteiden mukaisesti matriisien olisi myös hyvä olla biohajoavia ja luonnollisista materiaaleista valmistettuja. TEMPO-hapetettujen selluloosananofibrillien (TCNF) on osoitettu suoriutuvan tyypillisesti käytettyä alginaatti-biopolymeeriä paremmin immobilisointimateriaalina. TCNF-matriiseille joudutaan kuitenkin tekemään kovalenttisia ristisilloituksia synteettisen polyvinyylialkoholin (PVA) avulla, jotta niiden mekaaniset ominaisuudet eivät heikentyisi vesiympäristöissä. Tässä diplomityössä immobilisointimatriiseja kehitettiin ristisilloittamalla TCNF:ejä fysikaalisesti alginaatin kanssa. Sekoitettuna TCNF ja alginaattipolymeerit muodostavat toisensa läpäiseviä verkostorakenteita, jotka tässä työssä muotoiltiin sekä ohuiksi hydrogeelifilmeiksi että pyöreiksi hydrogeelihelmiksi. Työn tarkoituksena oli selvittää reologia- ja puristusmittauksin, voiko fysikaalinen silloitus TCNF:ien ja alginaatin välillä korvata TCNF:ien ja PVA:n välisen vahvan silloituksen ilman, että materiaalin märkälujuusominaisuudet huononevat. Lisäksi immobilisoitujen Synechocystis sp. PCC 6803 -solujen elinkelpoisuutta valmistetuissa komposiittihydrogeeleissä seurattiin työssä eri menetelmin. Työssä havaittiin, että TCNF:ien suhteellisen pitoisuuden kasvattaminen 1% kuiva-ainetta sisältävissä ohuissa hydrogeelifilmeissä paransi materiaalien mekaanisia ominaisuuksia leikkausrasituksessa, ja että TCNF:ien ja alginaatin fysikaalinen silloitus korvasi melko hyvin kovalenttisen PVA-silloituksen. TCNF:ien pitoisuuden lisäämisen ei havaittu parantavan hydrogeelihelmien mekaanisia ominaisuuksia puristuksessa. Helmien alttius heikentyä ioneja kelatoivien aineiden vaikutuksesta kuitenkin väheni TCNF-lisäyksen myötä. Solut säilyttivät myös fotosynteettisen tehokkuutensa ja hiilensidontakykynsä korkeassa TCNF-pitoisuudessa paremmin kuin solut, jotka immobilisoitiin paljon alginaattia sisältäviin matriiseihin. Tämän diplomityön tulokset osoittavat TCNF-alginaatti -matriiseja hyödyntävien ”kiinteiden solutehtaiden” potentiaalin tulevaisuuden vaihtoehtona tavallisille soluviljelmille.

Description

Supervisor

Linder, Markus

Thesis advisor

Rissanen, Ville
Tammelin, Tekla

Keywords

photosynthetic microbial cell factories, sustainable materials, cell immobilization, cellulose nanofibers, alginate, rheology

Other note

Citation