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在一项新的研究中，伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发出了修饰过的藻酸盐水凝胶，它可以忍受细菌的生长，使它们能够合成重要的酶。
图片:Yoon Jeong(左)和Joseph Irudayaraj开发了一种新型的藻酸盐水凝胶，作为生物反应器。
图片来源:Julia Pollack
封装细胞，允许研究人员在水合环境中进行长时间的实验。然而，在这些条件下细胞生长会对封装壳施加很大的压力，导致细胞泄漏。在一项新的研究中，伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发出了修饰过的藻酸盐水凝胶，它可以忍受细菌的生长，使它们能够合成重要的酶。
水凝胶是由不同化学键加强的聚合物，能够吸水膨胀而不分解。因此，生物技术研究人员经常求助于这些结构来为他们的细胞培养提供稳定性和结构支持。
“水凝胶壳已经使用了50多年。通过在不同的水凝胶环境中结合不同种类的细胞，可以制造出许多不同的类型，”Irudayaraj (CGD/EIRH)实验室的研究生Yoon Jeong说。“将微生物与水凝胶胶囊结合的问题是，它们会泄漏出去。”
为了解决这个问题，Jeong决定专注于褐藻酸盐，这是一种存在于褐藻中的天然可食用化合物。尽管之前已经研究过，但用它来封装细菌一直具有挑战性。
Jeong教授说:“我的策略是在水凝胶结构的表面制作水凝胶膜。虽然变化看起来很小，但效果很好。用基因改良的方法测试了Lactococcus lactis，他发现，没有了这层膜，细菌就会泄漏出去，无法形成生物膜——一种相互粘附的微生物的集合。另一方面，L. lactis在改良水凝胶中的菌落可以生长超过10天;水凝胶提供了一个稳定的平台，不会破裂。
Jeong还研究了转基因大肠杆菌，这种大肠杆菌只有在能够达到高细胞密度时才能合成多种不同的分子。他观察了能产生绿色荧光蛋白的大肠杆菌细胞，当细胞受到紫外线照射时，绿色荧光蛋白会发出绿色信号。Jeong说：“虽然生长产生GFP的大肠杆菌很简单，但它们很快就会死亡。我发现，在水凝胶内部，它们会形成菌落，菌落大小不断增加，产生GFP，并且不会泄漏。”
当他使用生物发光的大肠杆菌细胞时，也取得了同样的结果。这些细菌编码lux基因，导致蓝色细胞在黑暗中发光。研究人员发现，一旦细菌达到一定的细胞密度，在接下来的3天里，发光持续增加。
制造这些水凝胶的主要目的是开发可以在制造重要化合物的同时支持细菌生长的生物反应器。为了测试改良后的水凝胶是否能够维持这样的过程，Jeong还测试了L. lactis制造乳酸蛋白，一种用作食物防腐剂的肽。与他们之前的结果一致，细菌能够在改性水凝胶中很好地生长，并能够产生化合物。
“虽然乍一看，制造这些水凝胶结构似乎很简单，但实际上很难。你必须控制它们的大小、厚度，防止结块，因为这些胶囊会粘在一起。拥有不同科学背景的研究人员发现这一过程很困难。我们计划很快发布一份详细的协议，这样人们就可以使用这种廉价和简单的技术。”
研究人员还对继续在人类和癌细胞中进行测试感兴趣，希望水凝胶能够为广泛的应用提供一个可靠的平台。
Soft hydrogel-shell confinement systems as bacteria-based bioactuators and biosensors
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