De nanocultuurschaal kraken om nieuwe grenzen in microbioomonderzoek te ontgrendelen

Tiny bioreactoren, genaamd nanoculturen, openen nieuwe mogelijkheden voor microbioomonderzoek, vooral in harde en dynamische omgevingen.

Elke capsule op nanoliter, ruwweg de breedte van een menselijk haar, kan tienduizenden microben hosten zodat ze in hun inheemse omgevingen kunnen worden gekweekt. Het systeem is ontwikkeld door Tagbo Niepa en is schaalbaar en high-throughput, in staat om binnen een uur miljoenen nanoculturen te genereren. Wanneer het tijd is om de ingekapselde microben vrij te geven, waarvan sommige gunstig zijn, hebben onderzoekers een precieze manier nodig om de capsules on-demand te scheuren.

Niepa wilde een elegant ontwerp, net zo gemakkelijk als het openen van een kippenei met een vork of mes. “Maar wat als dat ei 2 miljoen keer kleiner was dan een kwartel ei? Hoe zou u toegang krijgen tot de inhoud ervan?” Vraagt ​​Niepa, universitair hoofddocent chemische engineering en biomedische engineering aan de Carnegie Mellon University.

Geïnspireerd door de verpakking van de natuur, hebben Niepa en medewerkers nanoculturen ontworpen met schelpen die zo veerkrachtig zijn als eierschalen. Ze zijn klein genoeg om slechts 2-5 nanoliter vloeistof vast te houden, sterk genoeg om mechanische stress te weerstaan, en slim genoeg om te scheuren op cue. Een semi-permeabele shell maakt uitruil van kleine moleculen mogelijk, waardoor cel-celcommunicatie en metabole activiteit mogelijk worden gemaakt.

In hun artikel gepubliceerd in Chemical Engineering JournalNiepa, Shanna-Leigh Davidson en medewerkersingenieur de chemie van de nanocultuurschelp om zijn mechanische eigenschappen te regelen. Naast een gedefinieerde drempel zal het barsten en een mechanisme bieden voor voorspelbare en gecontroleerde afgifte van de inhoud.

Het idee kwam naar Niepa in eerdere experimenten, toen hij merkte dat nanoculturen ongeveer 24 uur enigszins krimpen. Terwijl bacteriën beginnen het voedsel in de nanocultuur te eten, veranderen hun metabolische processen de osmotische druk. Water diffundeert uit de capsule. “We wilden weten of we dat systeem konden omkeren en dat kunnen gebruiken als een manier om de capsules te openen”, zegt Niepa.

Niepa en Davidson, een voormalige Ph.D. Student, testte hun idee met een oplossing die gelijkwaardig is aan zeewater omdat mariene omgevingen een mogelijke toepassing zijn voor nanoculturen. Toen ze nanoculturen van een zoutoplossing naar zoet water verplaatsen, zorgde osmose ervoor dat de capsule opzwelde en barstte. “Er is geen opgeloste stof of deeltje buiten om het water weg te trekken, dus het water wordt naar binnen getrokken”, legt Niepa uit.

Om de methode te optimaliseren, hebben Niepa en medewerkers de chemische samenstelling van de nanocultuurschil aangepast. Ze ontwikkelden hun eigen polymeermengsel om een ​​sterke maar brosse schaal te bereiken die zou scheuren onder osmotische druk. In experimenten testten ze de elastische eigenschappen en zwelcapaciteit van de schaal.

Ze hebben ook aangetoond dat platinaconcentratie kan worden gebruikt om flexibiliteit en stijfheid te regelen. Platina wordt gebruikt om de verknopingsreactie tussen monomeren te katalyseren bij het maken van de nanocultuurschaal. Bij lagere platina -concentraties komen reacties langzamer op en zijn de polymeren niet volledig verknoopt. Dit maakt de schaal flexibeler. Door meer platina toe te voegen, gebeuren verbindingen sneller, waardoor een hardere en meer rigide schaal ontstaat. Stijve granaten barsten met kleine openingen. Meer flexibele schelpen barsten met grotere openingen.

“We gebruiken de verknopingsdichtheid van een polymeer om de mechanica ervan af te stemmen”, zegt Niepa. “We willen iets dat instelbaar is, zodat we meer waterverspreiding kunnen toestaan.” Het ontwerp van de Nanoculture Shell stelt onderzoekers in staat om zijn mechanische eigenschappen te benutten samen met osmose voor precieze controle.

Niepa en medewerkers vergeleken hun osmotische zwellende methode met twee gemeenschappelijke methoden voor het scheuren van celmembranen: bead slaan en sonicatie. Bead -kloppende cellen met kleine, chemisch inerte kralen om de membranen af ​​te breken. Niepa en medewerkers ontdekten dat het mengen van de nanoculturen de inhoud samen met de capsules sloeg. Sonicatie zet ultrasone golven om in mechanische energie die celmembranen scheurt. De methode vormt een schuim dat moeilijk te verwijderen was uit de inhoud van de nanocultuur. Resultaten tonen aan dat kralen kloppen en sonicatie van nanoculturen minder levensvatbare cellen opleveren dan osmotische zwelling.

“We zagen meer afgifte van levende cellen toen we het osmotische systeem gebruikten dan met het slaan van kralen of sonicatie”, zegt Niepa. “Dat betekent dat we meer schoon DNA krijgen om mee te werken.”

Genequencing is een van de laatste stappen in mogelijke toepassingen voor nanoculturen. In bodemomgevingen kunnen onderzoekers bijvoorbeeld microben cultiveren in nanoculturen, de nanoculturen verzamelen met behulp van een magneet en ze in een zoet watersysteem plaatsen om ze open te breken. Na het verzamelen van de vrijgegeven cellen, kunnen onderzoekers sequencing uitvoeren om de cellen te identificeren of de cellen opnieuw te cultiveren voor massaproductie.

Door een methode vast te stellen voor de gecontroleerde afgifte van nanocultuurinhoud, blijven Niepa en medewerkers het nut van het nanocultuursysteem aantonen voor de teelt van microben met hoge doorvoer.