Biomedische ingenieurs van Duke University hebben een nieuw platform ontwikkeld om biologische medicijnen te maken met behulp van speciaal ontworpen bacteriën die barsten en nuttige eiwitten vrijgeven wanneer ze merken dat hun capsule te vol raakt.

Het platform steunt op twee hoofdcomponenten:de gemanipuleerde bacteriën, genaamd "swarmbots, " die zijn geprogrammeerd om de dichtheid van hun leeftijdsgenoten in hun container te voelen, en het biomateriaal dat de swarmbots opsluit, een poreuze capsule die kan krimpen als reactie op veranderingen in de bacteriepopulatie. Als het krimpt, de capsule perst gerichte eiwitten uit die door de in gevangenschap levende bacteriën zijn gemaakt.

Dit op zichzelf staande platform zou het voor onderzoekers gemakkelijker kunnen maken om analyseren en zuiveren van diverse biologische producten voor gebruik in kleinschalige bioproductie.

Het onderzoek verscheen op 16 september online in het tijdschrift Natuur Chemische Biologie .

Bacteriën worden vaak gebruikt om biologische, dat zijn producten zoals vaccins, gentherapieën en eiwitten die zijn gemaakt of gesynthetiseerd uit biologische bronnen. Momenteel, dit proces omvat een reeks geavanceerde stappen, waaronder celkweek, eiwitisolatie en eiwitzuivering, die elk een delicate infrastructuur vereisen om efficiëntie en kwaliteit te garanderen. Voor industriële operaties, deze stappen worden op grote schaal uitgevoerd. Hoewel dit helpt bij het produceren van grote hoeveelheden van bepaalde moleculen, deze opzet is niet flexibel of financieel haalbaar wanneer onderzoekers kleine hoeveelheden van diverse biologische geneesmiddelen moeten produceren of in omgevingen met beperkte middelen moeten werken.

De nieuwe technologie is ontwikkeld door Lingchong You, een hoogleraar biomedische technologie aan de Duke University, en een voormalig postdoctoraal onderzoeker van Duke, Zhuojun Dai, nu een universitair hoofddocent aan het Shenzhen Institute of Advanced Technologies. In de nieuwe studie ze laten zien hoe hun nieuwe platform de communicatie tussen swarmbots en hun capsule gebruikt om een ​​veelzijdige productie te realiseren, analyse en zuivering van diverse eiwitten en eiwitcomplexen.

In een eerdere proof of concept, Jij en zijn team hebben een niet-pathogene stam van E. coli-bacteriën ontwikkeld om een ​​tegengif voor antibiotica te produceren wanneer de bacteriën een bepaalde dichtheid bereikten. Deze swarmbots werden vervolgens opgesloten in een capsule, die baadde in antibiotica. Als een bacterie de capsule verliet, werd deze vernietigd, maar als het in de container bleef waar de bevolkingsdichtheid hoog was, het heeft het overleefd.

"Onze eerste studie toonde in wezen eenrichtingscommunicatie aan, waar de cellen de omgeving in de capsule konden voelen, maar de omgeving reageerde niet op de cellen, "zei jij. "Nu, we hebben tweerichtingscommunicatie - de geconstrueerde swarmbots kunnen nog steeds hun dichtheid en hun opsluiting voelen, maar we hebben een materiaal geïntroduceerd dat kan reageren wanneer de bacteriële populatie erin verandert. Het is alsof de twee componenten met elkaar praten, en samen geven ze je heel dynamisch gedrag."

Zodra de populatie in de capsule een bepaalde dichtheid bereikt, de bacteriën beginnen te 'knallen', ' het vrijgeven van al hun cellulaire inhoud, inclusief het eiwitproduct van belang. Tegelijkertijd, deze bacteriële groei verandert de chemische omgeving in de capsule, waardoor het krimpt. Naarmate het krimpt, het perst het eiwit dat vrijkomt uit de barstende cellen eruit terwijl de bacteriën en celresten in de capsule worden gehouden.

Zodra de eiwitten zijn verzameld, onderzoekers kunnen een voedingssupplement aan het gerecht toevoegen als een signaal om de capsules te vergroten. Hierdoor wordt de binnenomgeving gereset en kunnen de bacteriën weer beginnen te groeien, het proces opnieuw starten. Volgens jou, deze cyclus kan tot een week worden herhaald.

Om de aanpak bruikbaar te maken voor bioproductie, het team voegde de capsules toe aan een microfluïdische chip, die een kamer bevatte waarin ze konden detecteren en kwantificeren welke eiwitten werden vrijgegeven. Dit kan worden vervangen door een zuiveringskamer om de eiwitten voor te bereiden voor gebruik in biologische geneesmiddelen.

"Het is een heel compact proces. Je hebt geen elektriciteit nodig, en je hebt geen centrifuge nodig om deze eiwitten te produceren en te isoleren, " zei u. "Het maakt dit een goed platform voor bioproductie. Je bent in staat om tegen lage kosten een bepaald type medicijn in een zeer compact formaat te produceren, en het is gemakkelijk te leveren. Daarbovenop, dit platform biedt een gemakkelijke manier om meerdere eiwitten tegelijk te produceren."

Volgens jou, dit gebruiksgemak heeft het team in staat gesteld om te produceren, kwantificeren en zuiveren van meer dan 50 verschillende eiwitten in samenwerking met het lab van Ashutoshi Chilkoti, Alan L. Kaganov Professor en voorzitter van de afdeling Biomedical Engineering aan Duke. Ze hebben ook onderzocht hoe hun platform de aanmaak van eiwitcomplexen kan vereenvoudigen, dat zijn structuren gemaakt van meerdere eiwitten.

Over een proof-of-concept-experiment om een ​​vetzuursyntheseroute te produceren uit meerdere enzymen, "we konden zeven versies van onze microbiële swarmbots gebruiken, die elk waren geprogrammeerd om een ​​ander enzym te produceren, "zei jij. "Meestal, om een ​​metabolische route te produceren die je nodig hebt om de toeleveringsketen in evenwicht te brengen, wat zou kunnen betekenen dat de expressie van het ene enzym wordt opgereguleerd en de expressie van een ander wordt verlaagd. Met ons platform hoef je dat niet te doen, je hoeft alleen de juiste verhouding van swarmbots in te stellen."

"Deze technologie is ongelooflijk veelzijdig, " zei hij. "Dat is een mogelijkheid waarvan we willen profiteren."