Life within 3D-printed engineered living materials based on micellar hydrogels

Abstract

Aastakümneid on üleilmne majandus järginud lineaarset majandusmudelit – võta, kasuta, viska ära. See lähenemine on olnud lühiajaliselt väga tõhus, kuid on pikaajaliselt keskkonnale laastav. Fossiilkütused on käivitanud meie tööstuse, plastid on kujundanud meie maailma ning tarbimiskultuur on loonud hiiglaslikud jäätmemäed. See areng on aga tulnud kalli hinnaga: tõusvad temperatuurid, ebastabiilsed ilmamustrid ja degradeerunud ökosüsteemid. Paljude jaoks peitub jätkusuutlik lahendus ringbiomajanduse kontseptsioonis, kus bioloogilised ressursid asendavad fossiilkütused tööstuse selgroona ning ressursse hoitakse ringluses võimalikult kaua. Niisuguse ülemineku keskmes on biotehnoloogia. Elusad mikroorganismid (näiteks bakterid, pärmid, vetikad) ja eukarüootsed rakud (näiteks imetajarakud) – võivad toimida miniatuursete tehastena, mis muudavad taastuvad lähteained väärtuslikeks toodeteks. Geenitehnoloogia ja sünteetilise bioloogia areng on võimaldanud neid elusaid süsteeme üha suurema täpsusega suunata tööstus- ja keskkonnaeesmärkide saavutamiseks, laiendades bioloogilisel teel saavutatavate toodete ja funktsioonide spektrit. Kuid ka elusrakkudel on piirangud. Tootlikkuse säilitamiseks vajavad nad tavaliselt hoolikalt kontrollitud ja steriilset keskkonda. Aja jooksul, eriti keerukates või muutuvates tingimustes, võib nende jõudlus geneetilise ebastabiilsuse ja mutatsioonide kuhjumise tõttu halveneda, viies funktsionaalsuse kaoni või kontrollimatu paljunemiseni. Lisaks on bioturvalisuse tagamine ja geneetilise materjali lekkimise vältimine looduslikesse ökosüsteemidesse jätkuv väljakutse. Need piirangud rõhutavad materjalipõhiste strateegiate vajadust – näiteks rakkude kapseldamine konstrueeritud elusmaterjalidesse (ingl. k. engineered living materials, ELMs), mis pakuvad füüsilist kaitset, vabanemisekontrolli, keskkonnatingimuste puhverdamist ja stabiilseid mikrokeskkondi, suurendamaks nende sünteetiliste bioloogiliste süsteemide töökindlust. Elusmaterjalides rakendamiseks on uuritud mitmesuguseid biopõhiseid ja biopolümeerseid materjale. Paraku ei ole enamik neist bioloogiliselt inertsed ning võivad seetõttu olla vastuvõtlikud mikroobsele degradeerumisele või nende samade organismide põhjustatud ensümaatilisele lagunemisele, keda nad on mõeldud majutama, mis omakorda piirab nende kasutamist pikaajalistes biotootmise protsessides. Käesolev töö uurib UV-ristsidestatavaid mitsellaarseid hüdrogeele kui struktuurseid platvorme ELM-ide 3D trükkimiseks. Töö keskendub sellele, kuidas mitsellaarsed hüdrogeelid suunavad rakkude ruumilist organiseeritust, paljunemist, fenotüüpi ja metabolismi. Laiem eesmärk oli määratleda disainireeglid skaleeritavate, ruumiliselt organiseeritud ja metaboolselt programmeeritavate elussüsteemide loomiseks.

For decades, our global economy has followed a linear economy model — “take-make-waste”. This approach has been highly efficient in the short term but has had devastating effects on the environment in the long run. Fossil fuels have powered our industries, plastics have shaped our world, and the culture of consumption has led to mountains of waste. However, this progress has come at a cost: rising temperatures, erratic weather patterns, and degraded ecosystems that sustain life. For many, the answer lies in the concept of a circular bioeconomy, where biological resources replace fossil fuels as the backbone of industry and resources are kept in circulation as long as possible. At the heart of this transition lies biotechnology. Living cells, such as bacteria, yeast, algae, and mammalian cells, can act as miniature factories that convert renewable feedstocks into valuable products. Advances in genetic engineering and synthetic biology have enabled these systems to be programmed with increasing precision for industrial and environmental purposes, broadening the range of products and functions achievable through biological means. However, these cells also have limitations. They typically require carefully controlled and sterile environments to maintain productivity. Over time, especially in complex or changing environments, their performance can deteriorate due to genetic instability and the accumulation of mutations, leading to the loss of function or uncontrolled proliferation. Furthermore, ensuring biocontainment and preventing genetic leakage into natural ecosystems remain persistent challenges. These limitations underscore the need for material-based strategies — such as encapsulating cells to create engineered living materials (ELMs) — that provide physical control, environmental buffering, and stable microenvironments to enhance the robustness of these synthetic biological systems. In this field, many bio-based and biopolymer materials have been explored. However, most of these are not biologically inert and can therefore be susceptible to microbial degradation or enzymatic breakdown by the very organisms they are intended to host, limiting their use in longer-term biomanufacturing scenarios. This thesis investigates UV-crosslinkable micellar hydrogels as structural platforms for 3D printing of ELMs. The work focuses on how micellar hydrogels govern spatial organisation, cell proliferation, phenotype and metabolism, with the broader aim of identifying design rules for scalable, spatially organised and metabolically programmable living systems.