Programmerbare sværmbotter hjælper med at lave fleksible biologiske værktøjer

Biomedicinske ingeniører ved Duke University har udviklet en ny platform til at skabe biologiske lægemidler ved hjælp af specialfremstillede bakterier, der brister og frigiver nyttige proteiner, når de fornemmer, at deres kapsel bliver for overfyldt.

Platformen er afhængig af to hovedkomponenter:de konstruerede bakterier, kaldet "sværmboter, "der er programmeret til at fornemme tætheden af ​​deres jævnaldrende i deres beholder, og biomaterialet, der begrænser sværmbotterne, en porøs kapsel, der kan krympe som reaktion på ændringer i bakteriepopulationen. Når det krymper, kapslen presser målrettede proteiner ud af de fangede bakterier.

Denne selvstændige platform kunne gøre det lettere for forskere at oprette, analysere og rense forskellige biologiske stoffer til brug i småskala bioproduktion.

Forskningen optrådte online 16. september i tidsskriftet Naturens kemiske biologi .

Bakterier bruges ofte til at producere biologiske stoffer, som er produkter som vacciner, genterapier og proteiner, der er skabt eller syntetiseret fra biologiske kilder. I øjeblikket, denne proces involverer en række sofistikerede trin, herunder celledyrkning, proteinisolering og proteinrensning, som hver især kræver en delikat infrastruktur for at sikre effektivitet og kvalitet. Til industriel drift, disse trin udføres i stor skala. Selvom dette hjælper med at producere store mængder af bestemte molekyler, denne opsætning er ikke fleksibel eller økonomisk levedygtig, når forskere skal producere små mængder af forskelligartet biologi eller arbejde i ressourcebegrænsede miljøer.

Den nye teknologi blev udviklet af Lingchong You, professor i biomedicinsk teknik ved Duke University, og en tidligere hertug postdoktoral forsker, Zhuojun Dai, nu lektor ved Shenzhen Institute of Advanced Technologies. I den nye undersøgelse, de viser, hvordan deres nye platform bruger kommunikation mellem sværmbotter og deres kapsel til at opnå alsidig produktion, analyse og oprensning af forskellige proteiner og proteinkomplekser.

I et tidligere bevis på koncept, Du og hans team konstruerede en ikke-patogen stamme af E. coli-bakterier til at producere en modgift mod antibiotika, når bakterierne nåede en vis tæthed. Disse sværmbotter blev derefter begrænset til en kapsel, som blev badet i antibiotika. Hvis en bakterie forlod kapslen, blev den ødelagt, men hvis den blev inde i beholderen, hvor befolkningstætheden var høj, den overlevede.

"Vores første undersøgelse viste hovedsageligt envejskommunikation, hvor cellerne kunne mærke miljøet i kapslen, men miljøet ikke reagerede på cellerne, "sagde du." Nu, vi har tovejskommunikation-de konstruerede sværmbotter kan stadig fornemme deres tæthed og deres indeslutning, men vi har introduceret et materiale, der kan reagere, når bakteriepopulationen inde i det ændrer sig. Det er som om de to komponenter taler til hinanden, og samlet giver de dig en meget dynamisk adfærd. "

Når befolkningen inde i kapslen når en vis densitet, bakterierne begynder at 'poppe', 'frigiver alt deres mobilindhold, herunder proteinproduktet af interesse. På samme tid, denne bakterievækst ændrer det kemiske miljø i kapslen, får det til at skrumpe. Når det krymper, det presser proteinet ud, der frigives fra de sprængende celler, mens bakterierne og celleaffald opbevares i kapslen.

Når proteinerne er indsamlet, forskere kan tilføje et næringsstofpåfyldning til fadet som et tegn på, at kapslerne kan forstørres. Dette nulstiller det indre miljø og gør det muligt for bakterierne at begynde at vokse igen, genstarte processen. Ifølge dig, denne cyklus kan gentages i op til en uge.

For at gøre fremgangsmåden nyttig til biofremstilling, holdet tilføjede kapslerne til en mikrofluidisk chip, som inkluderede et kammer for dem til at detektere og kvantificere hvilke proteiner der blev frigivet. Dette kunne erstattes med et rensningskammer for at forberede proteinerne til brug i biologiske stoffer.

"Det er en meget kompakt proces. Du behøver ikke elektricitet, og du behøver ikke en centrifuge for at producere og isolere disse proteiner, "sagde Du." Det gør dette til en god platform til biofremstilling. Du har evnen til at producere en bestemt type medicin i et meget kompakt format til en lav pris, og det er let at levere. Oven i købet, denne platform giver en nem måde at producere flere proteiner samtidigt. "

Ifølge dig, denne brugervenlighed har gjort det muligt for teamet at producere, kvantificere og rense mere end 50 forskellige proteiner i samarbejde med laboratoriet i Ashutoshi Chilkoti, Alan L. Kaganov Professor og formand for Institut for Biomedicinsk Teknik ved Duke. De har også undersøgt, hvordan deres platform kan forenkle oprettelsen af ​​proteinkomplekser, som er strukturer lavet af flere proteiner.

På et proof-of-concept eksperiment for at producere en fedtsyresyntesebane fra flere enzymer, "vi var i stand til at bruge syv versioner af vores mikrobielle sværmboter, som hver var programmeret til at producere et andet enzym, "sagde du." Normalt, for at producere en metabolisk vej skal du balancere forsyningskæden, hvilket kunne indebære at opregulere ekspressionen af ​​et enzym og nedregulere ekspressionen af ​​et andet. Med vores platform behøver du ikke at gøre det, du skal bare indstille det korrekte forhold mellem sværmbotter. "

"Denne teknologi er utrolig alsidig, "sagde han." Det er en kapacitet, vi vil udnytte. "