Development of Leaf-Inspired Functional Structures from Cellulose Nanofibers - Matrix Scaffolds for Solid-State Photosynthetic Cell Factories

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-11-17
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
77 + app. 75
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 190/2023
Abstract
This thesis pioneered an interdisciplinary investigation of the use of cellulose nanofibers as immobilization matrices for photosynthetic cells. This was achieved by exploiting the inherent properties of 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical oxidized cellulose nanofibers (TCNF) to create hydrogel matrix structures with high mechanical stability, porosity, and biological compatibility in aqueous conditions. Moreover, this thesis developed analytical tools to reliably assess and optimize the crucial physical parameters of the hydrogel matrices and link them to the performance of the immobilized cells. Ultimately, the goal was to create tailored matrix structures that enhance the efficiency of photosynthetic cell factory platforms producing volatile chemicals. By screening different matrix structures based on TCNF and alginate as a reference, it was found that TCNF cross-linked with Ca2+ -ions and polyvinyl alcohol (PVA) yielded hydrogel matrices with high wet strength and good compatibility with photosynthetic cells. By establishing a surface-sensitive investigation setup using quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), this thesis revealed that the photosynthetic cells are passively entrapped within the TCNF network, but direct attachment can be induced via a cationic surface treatment. Furthermore, this thesis developed a rheological measurement technique to study the behavior of the hydrogel matrices under shear stresses. It was found that alginate-based matrices have higher elastic and viscous moduli (G' and G'', respectively) at rest than TCNF-based matrices, but the latter have higher resistance to yielding. These properties can be explained through the innate structural differences between the materials and their interactions with Ca2+ -ions. Following a similar trend, TCNF-based matrices were discovered to have higher porosity and a more heterogeneous structure than Ca-alginate matrices. They also form hierarchical mesoporous networks with small additions of PVA or alginate. Finally, these results were combined with biological characterization techniques to assess how the matrix properties affect cell factory performance. TCNF and alginate matrices were observed to provide long-term cell viability to immobilized cells. The O2/CO2 exchange rates of the immobilized cells indicated that both the cells and matrices are in a dynamic state over time, affected by both matrix porosity and wet strength. Finally, TCNF matrices were shown to be more stable and enable higher hydrogen and ethylene production in submerged conditions. To gain further control in optimizing these properties, a method to prepare TCNF hydrogels with accurate porosity-density control was developed using osmotic dehydration. Overall, these findings highlight the prowess of TCNF-based hydrogels as versatile im-mobilization scaffolds and showcase how the development of efficient cell factory platforms can be assisted via interdisciplinary efforts.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin selluloosananokuitujen käyttöä fotosynteettisten solujen immobilisaatioalustana monitieteellisestä näkökulmasta. Työssä hyödynnettiin 2,2,6,6-tetrametyylipiperidiini-1-oksiiliradikaali-hapetettujen selluloosananokuitujen (TCNF) luontaisia ominaisuuksia valmistamalla niistä hydrogeelimatriiseja, jotka ovat sekä mekaanisesti kestäviä, huokoisia että bioyhteensopivia. Työssä kehitettiin myös analyyttisiä työkaluja, joiden avulla matriisien keskeisimpiä fysikaalisia ominaisuuksia voitaisiin luotettavasti arvioida ja optimoida, sekä tutkia niiden vaikutusta immobilisoitujen solujen suorituskykyyn. Lopullisena tavoitteena oli luoda räätälöityjä matriisirakenteita, jotka parantavat ns. kiinteän tilan fotosynteettisten solutehtaiden tehokkuutta kaasumaisten kemikaalien tuotannossa. Väitöskirjassa seulottiin erilaisia TCNF- ja alginaattipohjaisia matriisirakenteita, ja havaittiin, että Ca2+ -ionien ja polyvinyylialkoholin (PVA) avulla ristisilloitetut TCNF-matriisit ovat sekä märkälujia että yhteensopivia fotosynteettisten solujen kanssa. Pintaherkälle kvartsikidevaa'alle kehitetyllä menetelmällä todennettiin, että fotosynteettiset solut ovat passiivisesti sitoutuneita TCNF-verkostoon ja että kationinen pintakäsittely mahdollistaa niiden suoran kiinnittymisen matriisiin. Työssä kehitettiin lisäksi reologinen mittausprotokolla tutkimaan hydrogeelimatriisien kestävyyttä leikkausvoimien vaikutuksen alaisena. Menetelmän avulla havaittiin, että alginaattipohjaisilla matriiseilla on levossa paremmat viskoelastiset ominaisuudet (G' ja G'') kuin TCNF-pohjaisilla matriiseilla, mutta TCNF-matriisit kykenevät vastustamaan rakenteen murtumista paremmin. Nämä ominaisuudet perustuvat sekä materiaalien välisiin rakenne-eroihin, että niiden vuorovaikutuksiin Ca2+ -ionien kanssa. Samoin havaittiin, että vedellä turvotetut TCNF-pohjaiset matriisit ovat rakenteiltaan huokoisempia ja heterogeenisempiä kuin alginaattipohjaiset, ja ne muodostavat hierarkkisia mesohuokoisia verkostoja pienten PVA- tai alginaattimäärien kanssa. Biologisissa mittauksissa arvioitiin miten matriisin ominaisuudet vaikuttavat kiinteän tilan solutehtaan suorituskykyyn. Huomasimme, että sekä TCNF- että alginaattimatriisit pitävät immobilisoituja soluja elinkelpoisina yli 9 viikon ajan. Solujen CO2/O2 -vaihdon tehokkuus matriisin läpi taas osoittaa, sekä solujen että matriisien ominaisuudet muuttuvat ajan myötä tavalla, johon vaikuttavat sekä matriisin huokoisuus että vedenkestävyys. Lisäksi osoitimme, että TCNF-matriisit ovat alginaattia kestävämpiä vedenalaisissa tuotanto-olosuhteissa, ja tuottavat vetyä ja etyleeniä tehokkaammin. Matriisien ominaisuuksien hienosäätöä varten kehitettiin myös osmoottista vedenpoistoa hyödyntävä menetelmä, jolla TCNF-hydrogeelien lopullista huokoisuutta ja tiheyttä voidaan säätää tarkemmin. Kaiken kaikkiaan nämä tulokset korostavat TCNF-pohjaisten hydrogeelien monipuolisuutta ja suorituskykyä fotosynteettisten solujen immobilisaatioalustana, sekä osoittavat, miten tehokkaita solutehtaita voidaan kehittää poikkitieteellisen yhteistyön avulla.
Description
Supervising professor
Kontturi, Eero, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Thesis advisor
Tammelin, Tekla, Prof., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
Keywords
cellulose nanofibers, hydrogels, rheology, photosynthetic microbes, cell factory, selluloosananokuidut, hydrogeelit, reologia, fotosynteettiset mikrobit, solutehdas
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Jämsä, M., Kosourov, S., Rissanen, V., Hakalahti, M., Pere, J., Ketoja, J. A., Tammelin, T. and Allahverdiyeva, Y. (2018). Versatile templates from cellulose nanofibrils for photosynthetic microbial biofuel production. Journal of Materials Chemistry A, 6(14), 5825-5835.
    DOI: 10.1039/C7TA11164A View at publisher
  • [Publication 2]: Rissanen, V., Vajravel, S., Kosourov, S., Arola, S., Kontturi, E., Allahverdiyeva, Y., & Tammelin, T. (2021). Nanocellulose-based mechanically stable immobilization matrix for enhanced ethylene production: a framework for photosynthetic solid-state cell factories. Green Chemistry, 23(10), 3715-3724.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202105267028
    DOI: 10.1039/d1gc00502b View at publisher
  • [Publication 3]: Levä, T., Rissanen, V., Nikkanen, L., Siitonen, V., Heilala, M., Phiri, J., Maloney, T. C., Kosourov, S., Allahverdiyeva, Y. and Tammelin, T. Mapping nanocellulose- and alginatebased photosynthetic cell factory scaffolds – interlinking porosity, wet strength and gas exchange.Biomacromolecules, 2023, 24(8), 3484-3497.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202309135857
    DOI: 10.1021/acs.biomac.3c00261 View at publisher
  • [Publication 4]: Guccini, V., Phiri, J., Trifol, J., Rissanen, V., Mousavi, S. M., Vapaavuori, J., Tammelin, T. and Kontturi, E. (2021). Tuning the Porosity, Water Interaction, and Redispersion of Nanocellulose Hydrogels by Osmotic Dehydration. ACS Applied Polymer Materials, 4(1), 24- 28.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202201101056
    DOI: 10.1021/acsapm.1c01430 View at publisher
Citation