Крошечные биореакторы, называемые нанокультурами, открывают новые возможности для изучения микробиома, особенно в суровых и динамичных условиях.
Каждая капсула размером в нанолитр, примерно с толщину человеческого волоса, может содержать десятки тысяч микробов, позволяя культивировать их в естественной среде. Система, разработанная Тагбо Ниепой, масштабируема и высокопроизводительна, способна генерировать миллионы нанокультур в течение часа. Когда приходит время высвободить инкапсулированных микробов, некоторые из которых полезны, исследователям нужен точный способ разрушения капсул по требованию.
Ниепа хотел создать элегантный дизайн, простой, как разбивание куриного яйца вилкой или ножом.
«Но что, если бы это яйцо было в 2 миллиона раз меньше перепелиного? Как бы вы получили доступ к его содержимому?» — задаётся вопросом Ниепа, доцент кафедры химической и биомедицинской инженерии в Университете Карнеги-Меллона.
Вдохновлённые природной упаковкой, Ниепа и его коллеги создали нанокультуры с оболочками, такими же прочными, как яичная скорлупа. Они достаточно малы, чтобы вместить всего 2–5 нанолитров жидкости, достаточно прочны, чтобы выдерживать механические нагрузки, и достаточно «умны», чтобы разрушаться по команде. Полупроницаемая оболочка позволяет обмениваться малыми молекулами, обеспечивая межклеточную коммуникацию и метаболическую активность.
В своей статье, опубликованной в Chemical Engineering Journal, Ниепа, Шанна-Ли Дэвидсон и их коллеги разрабатывают химию оболочки нанокультуры для контроля её механических свойств. За определённым порогом она лопается, обеспечивая механизм предсказуемого и контролируемого высвобождения содержимого.
Идея пришла к Ниепе в ходе более ранних экспериментов, когда он заметил, что нанокультуры немного уменьшаются примерно за 24 часа.
Когда бактерии начинают поглощать пищу внутри нанокультуры, их метаболические процессы изменяют осмотическое давление. Вода выходит из капсулы. «Мы хотели знать, сможем ли мы обратить эту систему вспять и использовать её как способ открытия капсул», — говорит Ниепа.
Ниепа и Дэвидсон, бывшая аспирантка, проверили свою идею на растворе, эквивалентном морской воде, поскольку морские среды — одно из возможных применений нанокультур. Когда они переместили нанокультуры из солевого раствора в пресную воду, осмос заставил капсулу набухнуть и лопнуть. «Внешних растворённых веществ или частиц, которые могли бы вытянуть воду, нет, поэтому вода втягивается внутрь», — объясняет Ниепа.
Чтобы оптимизировать метод, Ниепа и его коллеги скорректировали химический состав оболочки нанокультуры. Они разработали собственную полимерную смесь для получения прочной, но хрупкой оболочки, которая лопается под осмотическим давлением. В экспериментах они проверили упругие свойства и способность оболочки к набуханию.
Они также продемонстрировали, что концентрацию платины можно использовать для контроля гибкости и жёсткости. Платина используется для катализации реакции сшивания между мономерами при изготовлении оболочки нанокультуры. При более низких концентрациях платины реакции происходят медленнее, и полимеры не полностью сшиваются. Это делает оболочку более гибкой. Добавление большего количества платины приводит к тому, что соединения образуются быстрее, создавая более твёрдую и жёсткую оболочку. Жёсткие оболочки лопаются с небольшими отверстиями. Более гибкие оболочки лопаются с более крупными отверстиями.
«Мы используем плотность сшивания полимера для настройки его механических свойств», — говорит Ниепа. «Мы хотим что-то настраиваемое, чтобы можно было обеспечить более диффузию воды».
Дизайн оболочки нанокультуры позволяет исследователям использовать её механические свойства вместе с осмосом для точного контроля.
Ниепа и его коллеги сравнили свой метод осмотического набухания с двумя распространёнными методами разрушения клеточных мембран: встряхиванием с бусинами и ультразвуковой обработкой. Встряхивание с бусинами смешивает клетки с маленькими химически инертными шариками для разрушения мембран. Ниепа и его коллеги обнаружили, что при встряхивании нанокультур содержимое разрушается вместе с капсулами. Ультразвуковая обработка преобразует ультразвуковые волны в механическую энергию, которая разрушает клеточные мембраны. Метод образует пену, которую трудно удалить из содержимого нанокультуры.
Результаты показывают, что встряхивание с бусинами и ультразвуковая обработка нанокультур дают меньше жизнеспособных клеток, чем осмотическое набухание. «Мы наблюдали более высокий выход живых клеток при использовании осмотической системы, чем при встряхивании с бусинами или ультразвуковой обработке», — говорит Ниепа. «Это означает, что мы получаем больше чистой ДНК для работы».
Секвенирование генов — один из завершающих этапов в потенциальных приложениях для нанокультур. В почвенной среде, например, исследователи могут культивировать микробы в нанокультурах, затем собирать нанокультуры с помощью магнита и помещать их в систему с пресной водой, чтобы открыть их. После сбора высвобожденных клеток исследователи могут провести секвенирование для идентификации клеток или снова культивировать клетки для массового производства.
Создав метод контролируемого высвобождения содержимого нанокультур, Ниепа и его коллеги продолжают демонстрировать полезность системы нанокультур для высокопроизводительного культивирования микробов.
Предоставлено
[Carnegie Mellon University Chemical Engineering](https://phys.org/partners/carnegie-mellon-university-chemical-engineering/)