Celler konstruerer levende kompositpolymerer til biomedicinske anvendelser

Biomedicinske ingeniører ved Duke University har demonstreret, at en klasse af sammenvævede kompositmaterialer kaldet semi-indtrængende polymernetværk (sIPN'er) kan produceres af levende celler. Fremgangsmåden kunne gøre disse alsidige materialer mere biologisk kompatible til biomedicinske applikationer såsom tidsforsinkede lægemiddelleveringssystemer.

Forskningen vises online den 8. juni i tidsskriftet Naturkommunikation .

Begrebet sIPN'er har eksisteret i mere end 100 år og er blevet brugt i bildele, hospitalsudstyr, støbemidler og konstruktionsplast. Den generelle idé er, at en eller flere polymerer samles omkring et andet polymerstillads på en sådan måde, at de hænger sammen. Selvom polymererne ikke er kemisk bundet, de kan ikke trækkes fra hinanden og danne et nyt materiale med egenskaber større end den simple sum af dets dele.

Traditionelle metoder til fremstilling af sIPN'er involverer typisk at producere de bestanddele, der kaldes monomerer og blande dem sammen under de rigtige kemiske forhold for at styre deres samling til store netværk i en proces kaldet polymerisation.

"Når det virker, det er en fantastisk platform, der kan inkorporere forskellige funktionaliteter i det selvsamlede lag til biomedicinske eller miljømæssige applikationer, "sagde Lingchong Du, professor i biomedicinsk teknik ved Duke. "Men processen er ofte ikke så biokompatibel, som du måske vil. Så vi tænkte, hvorfor ikke bruge levende celler til at syntetisere det andet lag for at gøre det så biokompatibelt som muligt?"

I det nye papir, Zhuojun Dai, en tidligere postdoc i You -laboratoriet, der nu er lektor ved Shenzhen Institute of Synthetic Biology, bruger en platform, som laboratoriet har udviklet i flere år kaldet 'swarmbots' til at gøre netop det.

Swarmbots er levende celler, der er programmeret til at producere biologiske molekyler inden for deres vægge og derefter eksploderer, når deres befolkning når en vis tæthed. I dette tilfælde, de er programmeret til at producere monomerer kaldet elastinlignende polypeptider (ELP'er) fusioneret til funktionelle funktioner kaldet SpyTag og SpyCatcher. Disse to molekylære strukturer danner et lås-og-nøglesystem, gør det muligt for ELP'erne at samle sig selv i en polymerkæde, når de blandes. Når de vokser, disse polymerer vikler sig sammen med de polymere mikrokapsler indeholdende cellerne til dannelse af sIPN'er.

Hver monomer kan indeholde flere SpyTags eller SpyCatchers og kan også fusioneres til proteiner, der genererer en aflæsning eller har specifikke funktioner. Det er lidt som at lave et kædeled hegn af mange små charme armbånd, der har plads til spænd og charms.

Forskerne programmerer først cellerne til at fylde denne accessorizable funktion med et fluorescerende protein for at bevise, at systemet kan låse dem på plads. Efter den vellykkede demonstration, de retter deres opmærksomhed mod at konstruere et nyttigt lægemiddelleveringssystem med deres nye opfindelse.

"Du kan erstatte den fluorescerende markør med alt, der har en funktion, du vil have, "sagde du." Vi besluttede at røre ved antibiotika, fordi det er et af de andre fokusområder i vores laboratorium. "

Beta-lactam antibiotika, såsom penicillin og dets derivater, er nogle af de mest anvendte antibiotika i verden. De er også ofte overforbrugte og kan have negative virkninger som at ødelægge det naturlige mikrobiom, der lever i vores tarm.

For at demonstrere en måde, hvorpå deres nye cellebyggede sIPN'er kan være nyttige, forskerne fylder det tilgængelige sted med beta-lactamase, som kan nedbryde beta-lactam antibiotika. Ved at injicere de nyligt funktionaliserede sIPN'er i mus, forskerne viste, at platformen langsomt kunne frigive det ellers kortvarige beskyttende molekyle for at hjælpe musens tarmmikrobiomer afværge negative bivirkninger fra antibiotika.

"Ingen har brugt levende celler som fabrik til at producere monomerer i realtid til sIPN'er før, "sagde du." Princip-proof demonstrationen viser, at, ikke kun kan vi fremstille disse typer funktionelle materialer med levende celler, men de kan udvise medicinsk relevante funktioner. "