uma, Conceito de design, cada enxame consiste em uma pequena população de bactérias engenheiradas encapsuladas em microcápsulas poliméricas. Essas bactérias são projetadas para sofrer lise parcial em uma densidade local suficientemente alta. Por outro lado, o material encapsulante encolherá em resposta à mudança do ambiente químico causado pelo crescimento celular. À medida que a bactéria sofre autólise programada, eles liberam proteínas intracelulares. As cápsulas poliméricas reticuladas prendem as células vivas e grandes detritos dentro, e o encolhimento correspondente facilita a exportação de produtos proteicos das cápsulas. O sistema é reiniciado reabastecendo com meio novo. b, Lise autônoma programada pelo circuito ePop (topo, lógica do circuito; fundo, dados experimentais). Um aumento dependente da densidade no número de cópias do plasmídeo leva a um aumento na expressão de uma toxina (a proteína E do fago φX174). Em uma concentração suficientemente alta, a proteína E causa lise celular, levando a uma diminuição na densidade celular. Quando ligado (curva vermelha), o circuito levou a uma densidade de cultura reduzida de MC4100Z1 (ePop) equilibrada pelo crescimento e morte regulada. Para o propósito do projeto geral do sistema, a geração de oscilações não é essencial. O circuito pode ser desligado (curva azul) adicionando 1% de glicose. O experimento foi repetido mais de três vezes de forma independente, com resultados semelhantes. c, Redução de cápsulas em resposta ao crescimento de bactérias encapsuladas (topo, esquemático; fundo, dados experimentais). Células MC4100Z1 (ePop / GFP) foram encapsuladas em cápsulas de quitosana e cultivadas em M9. Todos os dados foram normalizados para o valor no tempo zero. Inserir, imagens microscópicas de MSBs após 0 h (esquerda) e 48 h (direita). Barra de escala, 200 μm. O experimento foi repetido mais de três vezes de forma independente, com resultados semelhantes. d, O encolhimento da cápsula mediado pelo crescimento facilita a exportação de macromoléculas das cápsulas (topo, esquemático; fundo, dados experimentais). Células MG1655 e dextrano-rodamina (peso molecular ≈ 70, 000 g mol − 1) foram encapsulados nas cápsulas de quitosana e cultivados em M9. As cápsulas foram tratadas com ou sem ampicilina (100 μg ml − 1). Encolhendo cápsulas, causado pelo crescimento bacteriano na ausência de antibióticos, levou a um aumento de ~ 2,25 vezes na fluorescência da rodamina em comparação com as cápsulas que não encolheram após 24 h, que continha bactérias que não cresciam (suprimidas por antibióticos). O experimento foi feito em triplicata como réplicas biológicas independentes e os dados são mostrados como pontos individuais, a linha indica a média. Crédito: Nature Chemical Biology (2019). DOI:10.1038 / s41589-019-0357-8
Os engenheiros biomédicos da Duke University desenvolveram uma nova plataforma para criar drogas biológicas usando bactérias especialmente projetadas que explodem e liberam proteínas úteis quando sentem que sua cápsula está ficando muito cheia.
A plataforma depende de dois componentes principais:as bactérias modificadas, chamados de "swarmbots, "que são programados para detectar a densidade de seus pares dentro de seu contêiner, e o biomaterial que confina os enxames, uma cápsula porosa que pode encolher em resposta a mudanças na população bacteriana. Quando encolhe, a cápsula espreme as proteínas criadas pelas bactérias em cativeiro.
Esta plataforma independente pode tornar mais fácil para os pesquisadores criarem, analisar e purificar diversos produtos biológicos para uso na biofabricação em pequena escala.
A pesquisa apareceu online em 16 de setembro no jornal Nature Chemical Biology .
As bactérias são comumente usadas para produzir produtos biológicos, que são produtos como vacinas, terapias genéticas e proteínas que são criadas ou sintetizadas a partir de fontes biológicas. Atualmente, este processo envolve uma série de etapas sofisticadas, incluindo cultura de células, isolamento de proteínas e purificação de proteínas, cada um dos quais requer uma infraestrutura delicada para garantir eficiência e qualidade. Para operações industriais, essas etapas são realizadas em grande escala. Embora isso ajude a produzir grandes quantidades de certas moléculas, esta configuração não é flexível ou financeiramente viável quando os pesquisadores precisam produzir pequenas quantidades de diversos produtos biológicos ou trabalhar em ambientes com recursos limitados.
A nova tecnologia foi desenvolvida por Lingchong You, um professor de Engenharia Biomédica na Duke University, e um ex-pesquisador de pós-doutorado da Duke, Zhuojun Dai, agora é professor associado do Instituto de Tecnologias Avançadas de Shenzhen. No novo estudo, eles mostram como sua nova plataforma usa a comunicação entre os enxames e sua cápsula para obter uma produção versátil, análise e purificação de diversas proteínas e complexos de proteínas.
Em uma prova de conceito anterior, Você e sua equipe desenvolveram uma cepa não patogênica da bactéria E. coli para produzir um antídoto para os antibióticos quando a bactéria atingiu uma certa densidade. Esses enxames foram então confinados a uma cápsula, que foi banhado em antibióticos. Se uma bactéria saísse da cápsula, ela era destruída, mas se permanecesse dentro do contêiner onde a densidade populacional era alta, ele sobreviveu.
"Nosso primeiro estudo mostrou essencialmente uma comunicação unilateral, onde as células podiam sentir o ambiente dentro da cápsula, mas o ambiente não reagia às células, "disse Você." Agora, temos comunicação bidirecional - os enxames projetados ainda podem sentir sua densidade e seu confinamento, mas introduzimos um material que pode responder quando a população bacteriana dentro dele muda. É como se os dois componentes estivessem se comunicando, e, em conjunto, proporcionam um comportamento muito dinâmico. "
As cápsulas contendo bactérias personalizadas chamadas "enxames" crescem e encolhem em resposta ao ambiente químico que contêm. Os enxames sentem que sua própria densidade populacional atingiu um certo nível e se dividem para liberar seus conteúdos, incluindo uma proteína que eles foram projetados para fabricar. A cápsula encolhe e o processo recomeça quando os nutrientes são introduzidos. Crédito:Zhuojun Dai
Uma vez que a população dentro da cápsula atinge uma certa densidade, as bactérias começam a 'estourar, 'liberando todos os seus conteúdos celulares, incluindo o produto proteico de interesse. Ao mesmo tempo, este crescimento bacteriano muda o ambiente químico dentro da cápsula, fazendo com que encolha. À medida que encolhe, ele espreme a proteína liberada pelas células em explosão, enquanto as bactérias e os restos celulares são mantidos dentro da cápsula.
Uma vez que as proteínas são coletadas, os pesquisadores podem adicionar uma reposição de nutrientes ao prato como uma dica para as cápsulas aumentarem. Isso redefine o ambiente interno e permite que as bactérias comecem a crescer novamente, reiniciar o processo. De acordo com você, este ciclo pode ser repetido por até uma semana.
Para tornar a abordagem útil para a biofabricação, a equipe adicionou as cápsulas a um chip microfluídico, que incluía uma câmara para detectar e quantificar quais proteínas foram liberadas. Isso poderia ser substituído por uma câmara de purificação para preparar as proteínas para uso em produtos biológicos.
"É um processo muito compacto. Você não precisa de eletricidade, e você não precisa de uma centrífuga para produzir e isolar essas proteínas, "disse Você." Isso torna esta uma boa plataforma para biofabricação. Você tem a capacidade de produzir um determinado tipo de medicamento em um formato muito compacto a um custo baixo, e é fácil de entregar. Além disso, esta plataforma oferece uma maneira fácil de produzir várias proteínas simultaneamente. "
De acordo com você, esta facilidade de uso permitiu que a equipe produzisse, quantificar e purificar mais de 50 proteínas diferentes em colaboração com o laboratório de Ashutoshi Chilkoti, Alan L. Kaganov Professor e Presidente do Departamento de Engenharia Biomédica da Duke. Eles também exploraram como sua plataforma pode simplificar a criação de complexos de proteínas, que são estruturas feitas de proteínas múltiplas.
Em um experimento de prova de conceito para produzir uma via de síntese de ácidos graxos a partir de várias enzimas, "pudemos usar sete versões de nossos enxames microbianos, cada um dos quais foi programado para produzir uma enzima diferente, "disse Você." Normalmente, para produzir uma via metabólica, você precisa equilibrar a cadeia de abastecimento, que poderia envolver a regulação positiva da expressão de uma enzima e a regulação negativa da expressão de outra. Com nossa plataforma, você não precisa fazer isso, você só precisa definir a proporção correta de enxames. "
"Esta tecnologia é incrivelmente versátil, "disse ele." Essa é uma capacidade da qual queremos tirar vantagem. "
