Berbasis di Virginia Biosains Capra—Sebuah permulaan membuat retinol (suatu bentuk vitamin A) dan bahan-bahan bernilai tinggi lainnya melalui biomanufaktur—bekerja sama dengan Boston University pada generasi baru biosensor nirkabel yang mengambang bebas yang dirancang untuk membantu perusahaan-perusahaan di bidang tersebut mengoptimalkan fermentasi dan menghemat uang.
“Agar biomanufaktur benar-benar kompetitif dengan manufaktur petrokimia dalam skala global, teknologi sensor yang memungkinkan kita bekerja lebih efisien akan benar-benar menjadi pembeda dalam hal memperluas jenis molekul yang bisa membuat kita bersaing secara biaya,” kata CTO Andrew Magyar, PhD, kepada Berita AgFunder.
Didirikan oleh Magyar dan Elizabeth Onderko, PhD, pada tahun 2020, mikroba Capra mengonsumsi bahan baku dari aliran samping industri seperti stillage tipis dan gliserol dalam platform modular yang terdiri dari beberapa unit 1.000 L, bukan satu tangki fermentasi besar.
Organisme inangnya dapat dikeluarkan dari bioreaktor, “dicuci” dengan pelarut untuk mengekstrak retinol, dan kemudian dikembalikan ke bioreaktor di mana mereka akan terus memproduksi retinol, sehingga memungkinkan proses fermentasi berkelanjutan yang sangat efisien.
Biosensor baru dapat lebih mengoptimalkan proses ini, kata Magyar, yang telah bekerja dengan Universitas Boston pada a proyek baru didanai oleh National Science Foundation dan BioMADE untuk menguji jaringan nirkabel sensor mikroba-elektronik yang ditempatkan langsung di dalam bioreaktornya.
Jendela nirkabel menuju fermentasi
Sensor hibrida menggabungkan mikroba rekayasa yang memancarkan cahaya sebagai respons terhadap tekanan seluler dengan perangkat elektronik tertanam yang mendeteksi sinyal optik dan kimia. Hal ini memungkinkan pengukuran berkelanjutan terhadap parameter fermentasi utama termasuk keadaan redoks, komposisi media, dan aktivitas metabolisme seluler, tanpa pengambilan sampel yang mengganggu atau pemeriksaan tetap.
Selama proyek berlangsung, platform tersebut akan diperkecil dan diuji lebih lanjut di fasilitas produksi percontohan Capra seluas 10.000 kaki persegi di Sterling, Virginia, kata Magyar.
“Kami telah bekerja sama dengan Universitas Boston selama beberapa tahun. Mereka memulai dengan sensor nirkabel kecil yang dimasukkan ke dalam bioreaktor kami untuk memungkinkan kami mengukur pH, oksigen terlarut, dan hal-hal lainnya dan kami sekarang memiliki dua proyek baru, satu didanai oleh BioMADE dan satu lagi oleh NSF.
“Proyek BioMADE berfokus untuk membuat sensor ini lebih andal, dan pihak NSF melapisi sensor mikroba ini di atasnya. Miguel Jimenez, PhD di Universitas Boston sedang merekayasa sel yang akan masuk ke dalam sensor ini dan Rabia Yazicigil, PhD sedang membangun chip semikonduktor yang pada dasarnya mengukur cahaya dari sel dan mengkomunikasikannya kembali secara nirkabel.”
Biosensor tersebut “pada akhirnya bisa berukuran sekecil kacang buncis dan karena dibuat dengan teknik fabrikasi semikonduktor tradisional, harganya bisa mencapai $10 hingga $100. Jadi, jika diproduksi dalam skala besar, biayanya akan jauh lebih murah dibandingkan probe yang digunakan dalam biomanufaktur tradisional,” klaim Magyar.
Hal ini sangat penting bagi Capra, yang memiliki sistem modular dan berpotensi memiliki ratusan atau bahkan ribuan reaktor di fasilitas tertentu, “sehingga biaya penginderaan benar-benar dapat mendorong biaya keseluruhan.”
Biosensor yang dapat diprogram
Dibandingkan dengan probe tradisional—batang berinstrumen yang menusuk ke dalam kaldu fermentasi dan terkadang dapat menimbulkan kontaminasi—biosensor kecil dapat ditempatkan di berbagai titik di dalam reaktor atau dapat mengapung di tempat berbeda di dalam kaldu, sehingga memberikan gambaran tentang apa yang terjadi di berbagai bagian wadah, katanya.
Sel-sel dalam sensor dapat diprogram sehingga dapat direkayasa untuk memancarkan cahaya pada intensitas yang berhubungan dengan berbagai parameter mulai dari pH atau tingkat bahan kimia kritis hingga sinyal stres, jelasnya. “Ini adalah teknologi platform, jadi mereka akan memvalidasinya untuk satu atau dua modalitas, tapi ini adalah sesuatu yang bisa diperluas secara luas.
“Kami melihatnya sebagai teknologi yang memiliki potensi untuk tidak hanya mengubah biomanufaktur, namun juga banyak industri lainnya. Anda dapat membayangkan teknologi tersebut digunakan untuk pemantauan lingkungan, atau pengolahan air limbah, atau hal-hal semacamnya.”
Memotong biaya penginderaan
Dengan probe tradisional, yang harganya bisa mencapai $5.000 hingga $10.000 per pop, “biayanya dapat bertambah dengan cepat jika Anda ingin memiliki probe pH, probe oksigen terlarut, probe CO2, semua hal yang berbeda ini… sedangkan dengan ini (biosensor), Anda dapat mengukur beberapa analit pada satu sensor nirkabel kecil.
“Pada dasarnya, inti dari perangkat ini adalah potensiostat terpasang sehingga dapat melakukan pengukuran elektrokimia penuh dalam paket yang sangat, sangat kecil. Segala sesuatu yang dapat dibayangkan secara elektrokimia dapat dikemas ke dalam perangkat kecil ini. Hal utama yang kami lihat saat ini adalah oksigen terlarut, pH, dan kemudian melihat korelasi sinyal elektrokimia secara lebih umum dengan apa yang terjadi di bioreaktor.”
Di sini, katanya, AI memiliki peran penting dengan mengkorelasikan data dari sensor dengan karakteristik kinerja.
Dia menambahkan: “Salah satu hal hebat tentang platform Capra adalah kami memiliki analisis data internal dan sistem eksekusi manufaktur sehingga kami dapat menggunakan sensor tradisional yang sudah ada dan menghubungkan data dari sensor nirkabel baru ini secara real time, sehingga kami benar-benar dapat memvalidasi kinerjanya dan juga melihat area di mana sensor baru dapat lebih informatif dibandingkan sensor konvensional.”
Ketika ditanya apa yang terjadi pada sensor-sensor tersebut pada akhir masa produksi, dia berkata: “Tujuannya adalah agar sensor-sensor ini dapat digunakan kembali, namun desainnya dibuat sedemikian rupa sehingga akan memiliki biaya yang cukup rendah untuk digunakan sekali pakai pada aplikasi-aplikasi tertentu yang diatur seperti farmasi sesuai kebutuhan.”
Mengganti bahan petrokimia
Capra baru saja meluncurkan asam salisilat yang diproduksi secara hayati untuk aplikasi perawatan pribadi sebagai alternatif produk turunan petrokimia, kata Magyar.
“Kami tidak tahu asam salisilat turunan fermentasi lain yang ada di pasaran saat ini. Saat ini, asam salisilat (biasanya) dihasilkan dari fenol (dari turunan minyak bumi nafta) dan dari sudut pandang perawatan pribadi, produk kami sangat menarik karena kami tidak memiliki sisa fenol tersebut, yang dapat menimbulkan masalah. Ada beberapa asam salisilat alami di luar sana yang berasal dari wintergreen, namun harganya cukup mahal.
“Salah satu hal yang menarik dari asam salisilat adalah kami dapat menjalankan (produksi) produk tersebut secara terus menerus hingga sekitar 100 hari.”
Mengenai retinol yang berasal dari fermentasi, dia berkata, “Kami sedang berupaya menuju komersialisasi dan terus memperluas fasilitas kami dengan reaktor modular kami.”
Keamanan pasokan
Sambil mundur, dia berkata, “Perusahaan kami benar-benar fokus pada produk dengan tantangan rantai pasokan. Pada awalnya, kami mencoba menjual kisah rantai pasokan kepada investor, dan orang-orang hanya memandang kami dengan tatapan kosong.”
Saat ini, setelah bertahun-tahun mengalami gangguan rantai pasokan yang disebabkan oleh pandemi global, perang di Ukraina, dan invasi baru-baru ini ke Iran, pesan mengenai produksi dalam negeri dan keamanan pasokan mulai terasa, selama harganya tepat, katanya.
“Kami melihat bioteknologi sebagai cara yang sangat ampuh untuk mengembalikan produksi bahan kimia ke AS, yang mungkin sulit dilakukan jika tidak, sehingga hampir semua produk yang kami produksi adalah produk minyak bumi tradisional.”
Bacaan lebih lanjut:
Penurunan pendanaan untuk sinyal fermentasi protein alternatif berubah dari janji menjadi bukti