Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка разработали новую платформу для создания биологических препаратов с использованием специально сконструированных бактерий, которые взрываются и выделяют полезные белки, когда чувствуют, что их капсула становится слишком тесной.
Платформа основана на двух основных компонентах: сконструированных бактериях, называемых «ройботами», которые запрограммированы ощущать плотность своих сверстников в своем контейнере, и биоматериале, который удерживает роеботов, пористой капсуле, которая может сжиматься. в ответ на изменения в бактериальной популяции. Когда она сжимается, капсула выдавливает целевые белки, созданные пленными бактериями.
Эта автономная платформа может упростить для исследователей создание, анализ и очистку различных биологических препаратов для использования в мелкомасштабном биопроизводстве.
Исследование появилось в сети 16 сентября в журнале Nature Chemical Biology.
Бактерии обычно используются для производства биологических препаратов, таких как вакцины, генная терапия и белки, созданные или синтезированные из биологических источников. В настоящее время этот процесс включает ряд сложных этапов, включая культивирование клеток, выделение белка и очистку белка, каждый из которых требует тонкой инфраструктуры для обеспечения эффективности и качества. Для промышленных операций эти этапы выполняются в больших масштабах. Хотя это помогает производить большое количество определенных молекул, эта установка не является гибкой или финансово жизнеспособной, когда исследователям необходимо производить небольшое количество разнообразных биологических препаратов или работать в условиях ограниченных ресурсов.
Новая технология была разработана Линчуном Ю, профессором биомедицинской инженерии в Университете Дьюка, и бывшим научным сотрудником Дьюка, Чжоцзюнь Дай, ныне адъюнкт-профессором Шэньчжэньского института передовых технологий. В новом исследовании они показывают, как их новая платформа использует связь между роботами-роями и их капсулой для универсального производства, анализа и очистки разнообразных белков и белковых комплексов.
В ходе более раннего подтверждения концепции Ю и его команда разработали непатогенный штамм бактерий кишечной палочки для производства противоядия от антибиотиков, когда бактерии достигают определенной плотности. Затем этих роботов поместили в капсулу, пропитанную антибиотиками. Если бактерия покидала капсулу, она уничтожалась, но если она оставалась внутри контейнера с высокой плотностью населения, то выживала.
«Наше первое исследование, по сути, показало одностороннюю связь, когда клетки могли ощущать среду внутри капсулы, но среда не реагировала на клетки», - сказал Ю.«Теперь у нас есть двусторонняя связь - сконструированные роевые роботы все еще могут ощущать свою плотность и свое ограничение, но мы представили материал, который может реагировать, когда популяция бактерий внутри него меняется. Это похоже на то, как два компонента разговаривают друг с другом, и в совокупности они дают вам очень динамичное поведение».
Как только популяция внутри капсулы достигает определенной плотности, бактерии начинают «лопаться», высвобождая все свое клеточное содержимое, включая интересующий белковый продукт. В то же время этот бактериальный рост изменяет химическую среду внутри капсулы, заставляя ее сжиматься. По мере того, как она сжимается, она выдавливает белок, высвобождаемый из лопнувших клеток, в то время как бактерии и остатки клеток остаются внутри капсулы.
После того, как белки собраны, исследователи могут добавить в блюдо питательные вещества в качестве сигнала для увеличения капсул. Это сбрасывает внутреннюю среду и позволяет бактериям снова начать расти, перезапуская процесс. По словам Вас, этот цикл может повторяться до недели.
Чтобы сделать этот подход полезным для биопроизводства, команда добавила капсулы к микрожидкостному чипу, который включал камеру для обнаружения и количественного определения высвобождаемых белков. Ее можно заменить камерой очистки для подготовки белков к использованию в биопрепаратах.
«Это очень компактный процесс. Вам не нужно электричество, и вам не нужна центрифуга для производства и выделения этих белков», - сказал Ю. «Это делает эту платформу хорошей платформой для биопроизводства. У вас есть возможность производить определенный тип лекарства в очень компактном формате по низкой цене, и его легко доставить. Кроме того, эта платформа предлагает простой способ производства несколько белков одновременно."
По словам Вас, эта простота использования позволила команде производить, количественно определять и очищать более 50 различных белков в сотрудничестве с лабораторией Ашутоши Чилкоти, Алана Л. Каганов, профессор и заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Университета Дьюка. Они также изучили, как их платформа может упростить создание белковых комплексов, представляющих собой структуры, состоящие из нескольких белков.
В ходе эксперимента по проверке концепции по созданию пути синтеза жирных кислот из нескольких ферментов «мы смогли использовать семь версий наших микробных роботов-роевиков, каждый из которых был запрограммирован на производство разных ферментов», - сказал Ты. «Обычно для создания метаболического пути вам необходимо сбалансировать цепочку поставок, что может включать усиление экспрессии одного фермента и снижение экспрессии другого. С нашей платформой вам не нужно этого делать, вам просто нужно установить правильное соотношение роевых ботов."
«Эта технология невероятно универсальна, - сказал он. «Это возможность, которой мы хотим воспользоваться».