На Земле обитает примерно 1 триллион видов микроорганизмов, однако учёные изучили менее двух процентов из них. Поскольку многие микроорганизмы невозможно культивировать в лабораториях, исследователи из Университета Карнеги-Меллона разрабатывают технологии для их культивирования в полевых условиях.
Улучшенные инструменты для культивирования ранее неизвестных видов микробов могут привести к созданию новых антибиотиков или других терапевтических продуктов.
Тагбо Ниепа разработал систему микрокапсул для культивирования микроорганизмов в их естественной среде, а не в лабораторных условиях, где их поведение отличается.
Поскольку каждая микрокапсула может содержать нанолитровый объём микробной культуры, эти крошечные биореакторы называют «нанокультурами». Микроорганизмы, обитающие в почве, например, можно изолировать внутри нанокультур, а затем вернуть в почву.
Использование магнитных нанокультур для культивирования микроорганизмов
После помещения нанокультур в почву или другую среду исследователям нужен эффективный и целенаправленный способ их извлечения. Ниепа, доцент кафедры химической инженерии и биомедицинской инженерии, и его коллеги разработали нанокультуры, которые можно перемещать с помощью магнита. В своей статье, опубликованной в Science Advances, они демонстрируют доказательство концепции использования магнитно-чувствительных нанокультур для культивирования микроорганизмов.
Худа Усман, докторант в области химической инженерии, функционализировала полимерные оболочки магнитными железооксидными наночастицами. Добавление наночастиц в полимерную матрицу обычно снижает её прозрачность. Однако поскольку оболочки нанокультур очень тонкие, свет может проходить через них, даже когда оболочки содержат магнитные наночастицы. Это означает, что исследователи могут по-прежнему видеть внутри магнитных нанокультур с помощью стандартных световых микроскопов и флуоресцентных микроскопов.
Исследование Ниепы и Усман демонстрирует, что оболочки нанокультур остаются избирательно проницаемыми при добавлении магнитных наночастиц. Это важно для технологии, которая разработана так, чтобы микроорганизмы могли продолжать обмен питательными веществами, удаление отходов и процессы межклеточной коммуникации, на которые они полагаются.
Результаты исследования
Результаты также показывают, что магнитные нанокультуры не токсичны для микробных клеток. «Система удерживает наночастицы в оболочке, так что клетки не подвергаются прямому воздействию», — говорит Ниепа. «Даже если бы они были непосредственно подвергнуты воздействию магнитных наночастиц, концентрация, которую мы используем, не препятствует росту клеток».
После оптимизации конструкции микрокапсул для культивирования клеток Усман проверила магнитный отклик. Сначала она использовала магнит для перемещения полых нанокультур. Затем она извлекла нанокультуры, загруженные микробными клетками. «Её эксперименты доказывают, что введение клеток в капсулы не меняет процесс магнитного воздействия», — говорит Ниепа. Усман смогла направить движение нанокультур на основе их массы и силы магнитного поля.
Реальные симуляции демонстрируют широкие возможности применения магнитных нанокультур. Ниепа и Усман смешали магнитные и немагнитные нанокультуры, чтобы показать, что их технология может сортировать отдельно инкапсулированные микробные сообщества. Целенаправленное извлечение будет иметь ключевое значение для исследований, в которых разные сообщества объединяются для наблюдения за их межклеточной коммуникацией или реакцией на изменения стрессовых факторов окружающей среды.
Ниепа и Усман также проверили, как их магнитные нанокультуры будут функционировать в сложных, неоднородных средах, таких как почва. В отдельных экспериментах они успешно извлекли магнитные нанокультуры из образцов кремнезёмных шариков и песка со скоростью извлечения до 98%.
Будущая работа, включая полевые испытания, позволит усовершенствовать инструмент для культивирования и извлечения микроорганизмов на месте. Универсальная и масштабируемая технология может стать ключом к разгадке экологических микробиомов.
Предоставлено:
[Университет Карнеги-Меллона, химическая инженерия](https://phys.org/partners/carnegie-mellon-university-chemical-engineering/)