L’encapsulation de cellules, tant procaryotes qu’eucaryotes, permet aux chercheurs de mener des expériences dans des environnements hydratés sur de longues périodes. Cependant, la croissance cellulaire dans ces conditions peut exercer une forte pression sur les coques d’encapsulation, entraînant une fuite cellulaire. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont développé des hydrogels d’alginate modifiés qui peuvent supporter la croissance des bactéries, leur permettant de synthétiser des enzymes importantes.
Les hydrogels sont des polymères renforcés par différentes liaisons chimiques et capables d’absorber l’eau et de gonfler sans se décomposer. En conséquence, les chercheurs en biotechnologie se sont souvent tournés vers ces structures pour assurer la stabilité et le support structurel de leurs cultures cellulaires.
« Les capsules d’hydrogel sont utilisées depuis plus de 50 ans. Il existe de nombreux types différents qui peuvent être fabriqués en combinant différents types de cellules dans différents environnements d’hydrogel », a déclaré Yoon Jeong, étudiant diplômé du laboratoire Irudayaraj (CGD/EIRH). « Le problème avec la combinaison de micro-organismes avec des capsules d’hydrogel est qu’ils fuient. »
Pour résoudre ce problème, Jeong a décidé de se concentrer sur l’alginate, un composé comestible naturel présent dans les algues brunes. Bien qu’il ait déjà été examiné, son utilisation pour encapsuler des bactéries a été difficile.
« Ma stratégie consistait à créer une membrane d’hydrogel à la surface de la structure d’hydrogel », a déclaré Jeong. Bien que le changement puisse sembler minime, cela fonctionne bien. Jeong a testé son système avec Lactococcus lactis génétiquement modifié et a constaté que sans la couche, les bactéries s’échappaient et étaient incapables de former des biofilms, une collection de micro-organismes qui collent les uns aux autres. D’autre part, les colonies de L. lactis à l’intérieur des hydrogels modifiés ont pu se développer pendant plus de 10 jours ; les hydrogels ont fourni une plate-forme stable qui ne s’est pas rompue.
Jeong a également examiné Escherichia coli génétiquement modifié, qui peut synthétiser une multitude de molécules différentes, uniquement lorsqu’elles sont capables d’atteindre une densité cellulaire élevée. Il a examiné les cellules d’E. coli qui peuvent produire une protéine fluorescente verte, qui émet un signal vert lorsque les cellules sont soumises à la lumière ultraviolette. « Bien que la culture d’E. coli producteurs de GFP soit simple, ils meurent rapidement », a déclaré Jeong. « J’ai montré qu’à l’intérieur de l’hydrogel, ils forment des colonies, qui augmentent continuellement de taille, produisent du GFP et ne s’échappent pas. »
Il a obtenu les mêmes résultats lorsqu’il a utilisé des cellules d’E. coli bioluminescentes. Ces bactéries codent les gènes lux qui donnent des cellules bleues qui brillent dans le noir. Les chercheurs ont constaté qu’une fois que les bactéries avaient atteint une certaine densité cellulaire, la luminescence continuait d’augmenter pendant les 3 jours suivants.
L’objectif principal de la fabrication de ces hydrogels est de développer des bioréacteurs capables de soutenir la croissance des bactéries pendant qu’elles fabriquent des composés importants. Pour tester si les hydrogels modifiés étaient capables de soutenir de tels processus, Jeong a également testé la capacité de L. lactis à fabriquer de la nisine, un peptide utilisé comme conservateur alimentaire. En accord avec leurs résultats précédents, les bactéries ont pu bien se développer dans les hydrogels modifiés et ont pu produire le composé.
« Bien qu’à première vue, il puisse sembler simple de fabriquer ces structures d’hydrogel, c’est en fait difficile. Vous devez contrôler leur taille, leur épaisseur et empêcher l’agglomération car ces capsules collent ensemble », a déclaré Jeong. « Les chercheurs qui ont une formation scientifique différente ont trouvé ce processus difficile. Nous prévoyons de publier bientôt un protocole détaillé afin que les gens puissent utiliser cette technique simple et bon marché. »
Les chercheurs souhaitent également poursuivre leurs tests sur des cellules humaines et cancéreuses, dans l’espoir que les hydrogels pourront fournir une plate-forme fiable pour un large éventail d’applications.
L’étude a été publiée dans Biocapteurs et bioélectronique.
Plus d’information:
Yoon Jeong et al, Systèmes de confinement à coque souple en hydrogel en tant que bioactionneurs et biocapteurs à base de bactéries, Biocapteurs et bioélectronique (2022). DOI : 10.1016/j.bios.2022.114809