Die Einkapselung von Zellen – sowohl prokaryotische als auch eukaryotische – ermöglicht es Forschern, Experimente in hydratisierten Umgebungen über längere Zeiträume durchzuführen. Das Zellwachstum unter diesen Bedingungen kann jedoch einen großen Druck auf die einkapselnden Hüllen ausüben, was zu einem Zellaustritt führt. In einer neuen Studie haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign modifizierte Alginat-Hydrogele entwickelt, die das Wachstum von Bakterien überstehen und es ihnen ermöglichen, wichtige Enzyme zu synthetisieren.
Hydrogele sind Polymere, die durch verschiedene chemische Bindungen verstärkt sind und in der Lage sind, Wasser aufzunehmen und zu quellen, ohne sich zu zersetzen. Infolgedessen haben sich Biotechnologieforscher häufig diesen Strukturen zugewandt, um Stabilität und strukturelle Unterstützung für ihre Zellkulturen bereitzustellen.
„Hydrogelkapseln werden seit über 50 Jahren verwendet. Es gibt viele verschiedene Typen, die durch die Kombination verschiedener Arten von Zellen in verschiedenen Hydrogelumgebungen hergestellt werden können“, sagte Yoon Jeong, ein Doktorand im Labor von Irudayaraj (CGD/EIRH). „Das Problem bei der Kombination von Mikroorganismen mit Hydrogelkapseln ist, dass sie auslaufen.“
Um dieses Problem anzugehen, beschloss Jeong, sich auf Alginat zu konzentrieren, eine natürlich vorkommende, essbare Verbindung, die in Braunalgen vorkommt. Obwohl es bereits früher untersucht wurde, war seine Verwendung zur Einkapselung von Bakterien eine Herausforderung.
„Meine Strategie bestand darin, eine Hydrogelmembran auf der Oberfläche der Hydrogelstruktur herzustellen“, sagte Jeong. Obwohl die Änderung klein erscheinen mag, funktioniert sie gut. Jeong testete sein System mit gentechnisch verändertem Lactococcus lactis und stellte fest, dass die Bakterien ohne die Schicht austraten und keine Biofilme bilden konnten – eine Ansammlung von Mikroorganismen, die aneinander haften. Andererseits konnten L. lactis-Kolonien innerhalb der modifizierten Hydrogele über 10 Tage lang wachsen; die Hydrogele stellten eine stabile Plattform bereit, die nicht brach.
Jeong suchte auch gentechnisch veränderte Escherichia coli, die eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle nur dann synthetisieren können, wenn sie in der Lage sind, eine hohe Zelldichte zu erreichen. Er untersuchte E. coli-Zellen, die grün fluoreszierendes Protein produzieren können, das ein grünes Signal aussendet, wenn die Zellen ultraviolettem Licht ausgesetzt werden. „Obwohl es einfach ist, GFP-produzierende E. coli zu züchten, sterben sie schnell ab“, sagte Jeong. „Ich habe gezeigt, dass sie im Inneren des Hydrogels Kolonien bilden, die kontinuierlich an Größe zunehmen, GFP produzieren und nicht auslaufen.“
Er erzielte die gleichen Ergebnisse, als er E. coli-Zellen verwendete, die biolumineszierend sind. Diese Bakterien kodieren die Lux-Gene, die zu blauen Zellen führen, die im Dunkeln leuchten. Die Forscher sahen, dass, sobald die Bakterien eine bestimmte Zelldichte erreicht hatten, die Lumineszenz für die nächsten 3 Tage weiter zunahm.
Der Hauptzweck der Herstellung dieser Hydrogele ist die Entwicklung von Bioreaktoren, die das Wachstum von Bakterien unterstützen können, während sie wichtige Verbindungen herstellen. Um zu testen, ob die modifizierten Hydrogele in der Lage sind, solche Prozesse aufrechtzuerhalten, testete Jeong auch die Fähigkeit von L. lactis, Nisin herzustellen, ein Peptid, das als Konservierungsmittel für Lebensmittel verwendet wird. In Übereinstimmung mit ihren bisherigen Ergebnissen konnten die Bakterien in den modifizierten Hydrogelen gut wachsen und die Verbindung produzieren.
„Obwohl es auf den ersten Blick einfach erscheinen mag, diese Hydrogelstrukturen herzustellen, ist es tatsächlich schwierig. Man muss ihre Größe und Dicke kontrollieren und eine Agglomeration verhindern, da diese Kapseln zusammenkleben“, sagte Jeong. „Forscher mit einem anderen wissenschaftlichen Hintergrund haben diesen Prozess als schwierig empfunden. Wir planen, bald ein detailliertes Protokoll zu veröffentlichen, damit Menschen diese billige und einfache Technik anwenden können.“
Die Forscher sind auch daran interessiert, ihre Tests in menschlichen und Krebszellen fortzusetzen, in der Hoffnung, dass die Hydrogele eine zuverlässige Plattform für eine Vielzahl von Anwendungen bieten können.
Die Studie wurde veröffentlicht in Biosensoren und Bioelektronik.
Mehr Informationen:
Yoon Jeong et al, Soft-Hydrogel-Shell-Confinement-Systeme als bakterienbasierte Bioaktuatoren und Biosensoren, Biosensoren und Bioelektronik (2022). DOI: 10.1016/j.bios.2022.114809