Programmierbare swarmbots flexible biologische Werkzeuge: Das biomanufacturing-Plattform verwendet, platzen die Bakterien und einer schrumpfenden Kapsel gezielt zu produzieren Proteine

Programmierbare swarmbots flexible biologische Werkzeuge: Das biomanufacturing-Plattform verwendet, platzen die Bakterien und einer schrumpfenden Kapsel gezielt zu produzieren Proteine

2019-09-17

Biomedizinische Ingenieure an der Duke University entwickelt eine neue Plattform zu schaffen, die biologische Arzneimittel mit Hilfe von speziell konstruierten Bakterien, die burst und die Freisetzung nützlich, Proteine, wenn Sie spüren, dass Ihre Kapsel ist immer zu überfüllt.

Die Plattform setzt auf zwei Hauptkomponenten: die veränderte Bakterien, genannt „swarmbots,“, die programmiert werden, um Einblick in die Dichte, in der Ihre Altersgenossen in Ihrem container, und das biomaterial, die Grenzen der swarmbots, eine durchlässige Kapsel, kann schrumpfen in Reaktion auf Veränderungen in der bakteriellen population. Wenn es schrumpft, die Kapsel drückt gezielte Proteine, erstellt von der Gefangenschaft Bakterien.

Diese eigenständige Plattform machen könnte es einfacher für Forscher zu erstellen, zu analysieren und zu reinigen, diverse Biomaterialien für den Einsatz in small-scale-biomanufacturing.

Die Forschung, online erschienen Sept. 16 in der Fachzeitschrift Nature Chemical Biology.

Bakterien werden Häufig verwendet für die Produktion von Biologika, das sind Produkte wie Impfstoffe, Gentherapien und Proteine, die erstellt werden oder synthetisiert, die aus biologischen Quellen. Derzeit ist dieser Prozess beinhaltet eine Reihe von anspruchsvollen Schritten, einschließlich Zelle-Kultur -, protein-Trennung und protein-Reinigung, verlangt von denen jede empfindliche Infrastruktur zur Gewährleistung der Effizienz und Qualität. Für industriellen Einsatz sind diese Schritte durchgeführt, auf einer großen Skala. Während dies hilft, die Produktion großer Mengen bestimmter Moleküle, dieses setup ist nicht flexibel oder finanziell rentabel, wenn Forscher produzieren müssen kleine Mengen von verschiedenen Biologika oder arbeiten in Ressource-begrenzten Einstellungen.

Die neue Technologie wurde entwickelt von Lingchong Sie, Professor für Biomedizinische Technik an der Duke University, und ehemaliger Herzog postdoctoral researcher, Zhuojun Dai, der nun als Associate Professor in Shenzhen Institute of Advanced Technologies. In der neuen Studie zeigen Sie, wie Ihre neue Plattform verwendet, die Kommunikation zwischen swarmbots und Ihre Kapsel zu erreichen, vielseitige Produktion, die Analyse und die Reinigung der verschiedenen Proteine und protein-komplexe.

In einer früheren proof-of-concept, Sie und seinem team entwickelt, einem nicht-pathogenen Stamm von E. coli-Bakterien produzieren ein Gegengift gegen Antibiotika bei den Bakterien eine bestimmte Dichte erreicht. Diese swarmbots waren dann beschränkt auf eine Kapsel, die gebadet wurde in Antibiotika. Wenn ein Bakterium Links die Kapsel zerstört wurde, aber wenn es blieb im inneren der container, in dem die Bevölkerungsdichte sehr hoch war, es überlebt.

„Unsere erste Studie im wesentlichen zeigte sich ein-Wege-Kommunikation, wo die Zellen konnte spüren, die Umgebung innerhalb der Kapsel, aber die Umgebung nicht reagieren auf die Zellen,“ sagte Sie. „Nun, wir haben zwei-Wege-Kommunikation — die engineered swarmbots können immer noch spüre Ihre Dichte und Ihre Niederkunft, aber wir haben eingeführt, ein material, das reagieren kann, wenn die Bakterienpopulation im inneren ändert. Es ist wie die beiden Komponenten miteinander zu sprechen, und gemeinsam geben Sie Ihnen ein sehr dynamisches Verhalten.“

Wenn die Bevölkerung innerhalb der Kapsel erreicht eine bestimmte Dichte, die Bakterien beginnen zu „pop,“ loslassen alle Ihre zellulären Inhalte, einschließlich der protein-Produkt von Interesse. Zur gleichen Zeit, das Wachstum von Bakterien Veränderungen der chemischen Umgebung innerhalb der Kapsel, so dass es zu schrumpfen. Wie es schrumpft, es drückt das protein freigesetzt, die Zellen platzen, während die Bakterien und Zelltrümmer sind gehalten, innerhalb der Kapsel.

Sobald die Proteine gesammelt werden, können die Forscher fügen Sie einen Nährstoff-Nachschub auf den Teller als cue für die Kapseln, um Sie zu vergrößern. Dies setzt das Raumklima und können die Bakterien beginnen wieder zu wachsen, einen Neustart des Prozesses. Nach diesem Vorgang kann wiederholt werden, bis zu einer Woche.

Den Ansatz nützlich für biomanufacturing, das team Hinzugefügt, die Kapseln zu einem Mikrofluidik-chip, welcher eine Kammer für Sie zu erkennen und zu quantifizieren, welche Proteine freigesetzt wurden. Dies könnte ersetzt werden durch eine Reinigung der Kammer zur Vorbereitung der Proteine für den Einsatz in Biomaterialien.

„Es ist eine sehr kompakte Prozess. Sie nicht brauchen Strom, und Sie brauchen nicht, eine Zentrifuge zu produzieren und zu isolieren, die diese Proteine,“ sagte Sie. „Dies macht es eine gute Plattform für biomanufacturing. Sie haben die Fähigkeit, zu produzieren eine bestimmte Art von Medizin, die in einem sehr kompakten format zu einem niedrigen Kosten, und es ist leicht zu liefern. Auf top von, dass, diese Plattform bietet eine einfache Möglichkeit zum erzeugen mehrerer Proteine gleichzeitig.“

Nach Ihnen, diese einfache Bedienung ist es dem team gelungen, zu produzieren, zu quantifizieren und zu reinigen mehr als 50 verschiedene Proteine, die in Zusammenarbeit mit dem Labor von Ashutoshi Chilkoti, Alan L. Kaganov, Professor und Stuhl der Abteilung der Biomedizinischen Technik an der Duke. Sie haben auch untersucht, wie Ihre Plattform vereinfacht die Erstellung von protein-komplexe, die Strukturen, die aus mehreren Proteinen.

Auf einem proof-of-concept-experiment, um zu produzieren ein Fettsäure-Synthese-Weg von mehrere Enzyme, „wir waren in der Lage, sieben Versionen unserer mikrobiellen swarmbots, von denen jeder programmiert wurde, um zu produzieren ein anderes Enzym,“ sagte Sie. „In der Regel, um zu produzieren ein Stoffwechselweg, die Sie brauchen, um die balance der supply chain, was bedeuten könnte upregulating die expression eines Enzyms und downregulating der Ausdruck des anderen. Mit unserer Plattform, die Sie nicht tun müssen, die Sie gerade benötigen, um das richtige Verhältnis von swarmbots.“

„Diese Technologie ist unglaublich vielseitig“, sagte er. „Das ist eine Fähigkeit, die wir nutzen wollen.“