Supporting world energy from fossil fuel raises environmental problems such as energy shortage and global warming. As the rise of green technology with an alternative energy source, the potential of biodiesel attracts world’s attention over the last few decades. Microalgae have short doubling time within a few days (1-6 days) and have higher lipid productivity than other biodiesel plants. In addition, microalgae can be grown under nutrient and can accumulate the lipid content up to 60% of their body weight. Microalga, as its individual cell variance is wide, has various its doubling time and the lipid productivity not only in different species but also in the same species. To analyze and select the individual microalga that produces higher lipid content, single microalga studies based on droplet microfluidics arouse great interest. Considering the product of algal lipid content and growth rate determines lipid productivity, not only the lipid content in the cell but also the growth rate of individual microalga is important. Because the growth rate requires the long-term cultivation with high viability, the target microalgae should contain high lipid content to ensure high lipid productivity and high economic feasibility. On the previous works, however, it was hard to maintain the viability of microalgae in-side the microdroplets, because the supplement of cell media is prohibited due to the external oil phase. As an alternative, alginate microcapsules containing single cells can be manipulated for long periods with little evaporation of medium and allow the medium exchange through the nanopores of alginate microcapsules.
Here we develop a microfluidic platform to screen the optimal condition of carbon dioxide concen-tration for the microalgae cultivation. By virtue of droplet-based microfluidics, a single microalga was encap-sulated in an alginate droplet with an average diameter of 30 μm. Alginate droplet could be polymerized by calcium ion, causing them to solidify into microgel constructs. We purified alginate microcapsules from oil phase into aqueous phase cell media using a commercially available hydrophobic filter paper that selectively absorbs the external oil phase. This simple one step purification with the stable supplement of nutrient im-proved the cell viability up to 94%. Alginate microcapsules containing algal cells trapped into the cultivation microchannel to figure out the lipid conductivity based on the concentration of carbon dioxide in a high-throughput manner. In addition, the lipid content and the growth rate of individual cells were tracked by fluo-rescence microscopy. We expect that this method would overcome the technical limitations of traditional lipid screening, and show the great potential to apply algal single-cell study and lipid-productive cultivation condition screening.
최근 녹색 기술과 대체 에너지원의 관심이 높아짐에 따라 바이오디젤로의 녹조류 세포가 전세계의 관심을 받고 있다. 녹조류세포는 더블링 타임이 짧고, 다른 농작물을 이용한 연료보다 10배 이상 지질 생산량이 높은 것으로 알려져 있다다. 또한 녹조류 세포는 오수와 같은 영양소가 부족한 환경에서도 성장이 가능하며, 자신의 중량의 60%까지 지질을 생산할 수 있다. 하지만, 녹조류 세포는 개체 간 다양성이 큰 세포종으로, 녹조류 세포의 더블링 타임은 종간 뿐만 아니라 같은 종 내에서도 굉장히 다양하다. 각 녹조류 세포의 지질 생산량을 분석하고 개선시키기 위해서, 각각의 세포를 연구할 수 있는 드랍렛 미세유체공학이 큰 관심을 끌고 있다. 실제로 바이오디젤로써의 가능성은 지질생산성으로 측정하는데, 이는 조류 세포의 지질 함량과 성장 속도의 곱으로 정의된다. 기존의 연구에서는, 드랍렛을 이용한 녹조류 세포의 배양은 낮은 생존력을 보여주었다. 하지만, 성장 속도를 연구하는 것은 높은 생존력과 함께 장기 배양이 필요하다. 드랍렛은 형태를 유지하기 위하여 오일 환경에 존재하여야 하는데, 오일 환경에서는 배지의 공급이 원활하지 않으며 생존력이 보장되지 않기 때문이다. 이와같이 기존 방식에 의한, 조류 세포의 장기 배양 및 단일 세포 연구는 한계점을 보인다.
본 연구에서는 미세유체공학 플랫폼을 이용하여 탄소 원료 농도와 같은 조류세포의 배양 조건을 스크리닝하였다. 드랍렛 기술을 이용하여, 지름 30 μm정도의 마이크로캡슐(Microcapsule)을 만들어, 그 캡슐안에 녹조류 세포를 하나씩 넣어 각각의 녹조류 세포를 관찰할 수 있게 하는데, 알지네이트 드랍렛은 칼슘 이온에 의해서 젤리 형태의 마이크로캡슐로 고체화된다. 이 때 만들어진드랍렛 기술로 녹조류세포가 하나씩 들어간 마이크로캡슐은 필연적으로 그 제작과정에 오일 환경이 포함되는 문제점이 있다. 여기서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 소수성(hydrophobic) 종이필터를 사용하여 손쉽게 오일 제거를 수행하는 방법을 개발하였다. 소수성 종이필터는 마이크로캡슐로부터 선택적으로 오일을 흡수하지만 필터의 크기가 마이크로캡슐보다 작아 오일과 캡슐의 분리가 가능하기 때문이다. 이를 이용하여 단일 세포를 넣은 마이크로캡슐의 주변부 오일을 제거하고, 세포배양액으로 옮겨 세포를 장시간 배양할 수 있는 환경을 구축하였으며, 결과적으로 녹조류 세포의 생존력을 94%까지 향상시킬 수 있었다. 또한 녹조류 세포의 생존을 확인한 후, 조류 세포 미디어가 담긴 배양 마이크로채널에 트래핑하여 성장 속도와 지질 함량을 실시간 관찰을 하였다. 그밖에 세포배양액에 담긴 단일세포를 넣은 마이크로캡슐을 스크리닝칩에 넣어 세포 배지 조건이 달라질 때 녹조류 세포의 지질 함량과 성장 속도를 스크리닝하는 시스템을 개발하여, 마이크로캡슐내에서 세포를 장시간 배양할 수 있는 환경을 구축하고, 녹조류의 배양 조건을 스크리닝하는 방법을 연구하였다. 이러한 방법은 녹조류의 단일 세포 연구 및 지질 생산성 향상을 위한 스크리닝 방법의 단점을 보완해 줄 수 있을 것이라 생각한다.
