Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han desarrollado una nueva plataforma para crear medicamentos biológicos utilizando bacterias especialmente diseñadas que explotan y liberan proteínas útiles cuando sienten que su cápsula se está llenando demasiado.
La plataforma se basa en dos componentes principales: las bacterias modificadas, llamadas "swarmbots", que están programadas para detectar la densidad de sus pares dentro de su contenedor, y el biomaterial que confina a los swarmbots, una cápsula porosa que puede encogerse en respuesta acambios en la población bacteriana. Cuando se encoge, la cápsula exprime las proteínas específicas creadas por las bacterias cautivas.
Esta plataforma autónoma podría facilitar a los investigadores la creación, el análisis y la purificación de diversos productos biológicos para su uso en la biofabricación a pequeña escala.
La investigación apareció en línea el 16 de septiembre en la revista Biología química de la naturaleza .
Las bacterias se usan comúnmente para producir productos biológicos, que son productos como vacunas, terapias génicas y proteínas que se crean o sintetizan a partir de fuentes biológicas. Actualmente, este proceso implica una serie de pasos sofisticados que incluyen el cultivo celular, el aislamiento de proteínas y la purificación de proteínas, cada unode los cuales requiere una infraestructura delicada para garantizar la eficiencia y la calidad. Para las operaciones industriales, estos pasos se llevan a cabo a gran escala. Si bien esto ayuda a producir grandes cantidades de ciertas moléculas, esta configuración no es flexible o financieramente viable cuando los investigadores necesitan producir pequeñas cantidadesde diversos productos biológicos o trabajo en entornos de recursos limitados.
La nueva tecnología fue desarrollada por Lingchong You, profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke, y un ex investigador postdoctoral de Duke, Zhuojun Dai, ahora profesor asociado en el Instituto de Tecnologías Avanzadas de Shenzhen. En el nuevo estudio, muestran cómoLa nueva plataforma utiliza la comunicación entre los swarmbots y sus cápsulas para lograr una producción, análisis y purificación versátiles de diversas proteínas y complejos de proteínas.
En una prueba de concepto anterior, usted y su equipo diseñaron una cepa no patógena de la bacteria E. coli para producir un antídoto para los antibióticos cuando la bacteria alcanzó una cierta densidad. Estos enjambres se limitaron a una cápsula, que se bañóen antibióticos. Si una bacteria salió de la cápsula, se destruyó, pero si permaneció dentro del contenedor donde la densidad de población era alta, sobrevivió.
"Nuestro primer estudio mostró esencialmente comunicación unidireccional, donde las células podían sentir el ambiente dentro de la cápsula pero el ambiente no reaccionaba a las células", dijo Usted. "Ahora, tenemos comunicación bidireccional: ellos swarmbots diseñados aún pueden sentir su densidad y su confinamiento, pero hemos introducido un material que puede responder cuando la población bacteriana en su interior cambia. Es como si los dos componentes estuvieran hablando entre sí, y colectivamente le dan un comportamiento muy dinámico ".
Una vez que la población dentro de la cápsula alcanza una cierta densidad, las bacterias comienzan a 'explotar', liberando todo su contenido celular, incluido el producto proteico de interés. Al mismo tiempo, este crecimiento bacteriano cambia el entorno químico dentro de la cápsula, lo que hace que se encoja. A medida que se encoge, exprime la proteína liberada de las células que explotan mientras las bacterias y los restos celulares se mantienen dentro de la cápsula.
Una vez que se recogen las proteínas, los investigadores pueden agregar una reposición de nutrientes al plato como una señal para que las cápsulas se agranden. Esto restablece el ambiente interior y permite que las bacterias comiencen a crecer nuevamente, reiniciando el proceso. Según usted, este ciclopuede repetirse hasta por una semana
Para que el enfoque sea útil para la fabricación biológica, el equipo agregó las cápsulas a un chip microfluídico, que incluía una cámara para detectar y cuantificar qué proteínas se liberaron. Esto podría reemplazarse con una cámara de purificación para preparar las proteínas para su uso enbiológicos
"Es un proceso muy compacto. No necesita electricidad, y no necesita una centrífuga para producir y aislar estas proteínas", dijo. "Esto lo convierte en una buena plataforma para la fabricación biológica. Tiene la capacidad deproduce un cierto tipo de medicamento en un formato muy compacto a bajo costo, y es fácil de administrar. Además, esta plataforma ofrece una manera fácil de producir múltiples proteínas simultáneamente ".
Según usted, esta facilidad de uso ha permitido al equipo producir, cuantificar y purificar más de 50 proteínas diferentes en colaboración con el laboratorio de Ashutoshi Chilkoti, Alan L. Kaganov Profesor y Presidente del Departamento de Ingeniería Biomédica de Duke.También han explorado cómo su plataforma puede simplificar la creación de complejos de proteínas, que son estructuras hechas de múltiples proteínas.
En un experimento de prueba de concepto para producir una vía de síntesis de ácidos grasos a partir de múltiples enzimas, "pudimos usar siete versiones de nuestros enjambres microbianos, cada uno de los cuales fue programado para producir una enzima diferente", dijo You ".Por lo general, para producir una vía metabólica, necesitaría equilibrar la cadena de suministro, lo que podría implicar una regulación ascendente de la expresión de una enzima y una regulación descendente de la expresión de otra. Con nuestra plataforma no necesita hacer eso, solo necesita establecerla proporción correcta de swarmbots "
"Esta tecnología es increíblemente versátil", dijo. "Esa es una capacidad que queremos aprovechar".
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Materiales proporcionados por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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