杜克大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師開發(fā)了一個新平臺，使用特殊工程細菌制造生物藥物，當(dāng)他們感覺到膠囊變得過于擁擠時，這些細菌會破裂并釋放有用的蛋白質(zhì)。

該平臺依賴于兩個主要組成部分：被稱為“swarmbots”的工程細菌，其被編程以感知其容器內(nèi)對等物的密度，以及限制swarmbots的生物材料，這是一種多孔膠囊，可以隨著變化而縮小。細菌種群。當(dāng)它收縮時，膠囊會擠出由圈養(yǎng)細菌產(chǎn)生的目標(biāo)蛋白質(zhì)。

這個獨立的平臺可以使研究人員更容易創(chuàng)建，分析和純化用于小規(guī)模生物制造的各種生物制劑。

細菌通常用于生產(chǎn)生物制劑，其是諸如疫苗，基因療法和從生物來源產(chǎn)生或合成的蛋白質(zhì)的產(chǎn)品。目前，該過程涉及一系列復(fù)雜的步驟，包括細胞培養(yǎng)，蛋白質(zhì)分離和蛋白質(zhì)純化，每個步驟都需要精細的基礎(chǔ)設(shè)施以確保效率和質(zhì)量。對于工業(yè)操作，這些步驟是大規(guī)模進行的。雖然這有助于產(chǎn)生大量的某些分子，但當(dāng)研究人員需要生產(chǎn)少量不同的生物制劑或在資源有限的環(huán)境中工作時，這種設(shè)置并不靈活或在經(jīng)濟上可行。

這項新技術(shù)由杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授Lingchong You和前杜克大學(xué)博士后研究員戴卓鈞開發(fā)，現(xiàn)任深圳先進技術(shù)研究院副教授。在這項新研究中，他們展示了他們的新平臺如何利用swarmbots與其膠囊之間的通信，實現(xiàn)多種蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)復(fù)合物的多樣化生產(chǎn)，分析和純化。

在早期的概念證明中，You和他的團隊設(shè)計了一種非致病性的大腸桿菌菌株，當(dāng)細菌達到一定的密度時會產(chǎn)生抗生素的解毒劑。然后將這些swarmbots限制在膠囊中，膠囊浸泡在抗生素中。如果一個細菌離開了膠囊，它就會被破壞，但如果它留在人口密度高的容器內(nèi)，它就能存活下來。

“我們的第一項研究基本上顯示了單向通信，其中細胞可以感知膠囊內(nèi)的環(huán)境，但環(huán)境對細胞沒有反應(yīng)，”你說。“現(xiàn)在，我們有雙向溝通 - 工程化的swarmbots仍然可以感知它們的密度和它們的限制，但是我們已經(jīng)引入了一種材料，當(dāng)它內(nèi)部的細菌群體發(fā)生變化時可以做出反應(yīng)。就像兩個組件相互交談一樣，他們集體地為你提供了非常有活力的行為。“

含有稱為“swarmbots”的定制細菌的膠囊隨著它們所含的化學(xué)環(huán)境而生長和收縮。Swarmbots感覺他們自己的人口密度達到了一定的水平并且分開以釋放他們的內(nèi)容，包括他們被設(shè)計制造的蛋白質(zhì)。然后膠囊收縮并且當(dāng)引入營養(yǎng)物時該過程重新開始。圖片來源：卓卓鈞

一旦膠囊內(nèi)的群體達到一定密度，細菌開始“爆發(fā)”，釋放所有細胞內(nèi)容物，包括感興趣的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。同時，這種細菌生長改變了膠囊內(nèi)的化學(xué)環(huán)境，導(dǎo)致其收縮。當(dāng)它收縮時，它擠出從破裂細胞釋放的蛋白質(zhì)，同時細菌和細胞碎片保持在膠囊內(nèi)。

收集蛋白質(zhì)后，研究人員可以在培養(yǎng)皿中添加營養(yǎng)補充劑作為膠囊擴大的提示。這會重置內(nèi)部環(huán)境，讓細菌再次開始生長，重新啟動過程。根據(jù)你的說法，這個循環(huán)可以重復(fù)長達一周。

為了使該方法對生物制造有用，該團隊將膠囊添加到微流體芯片中，其中包括一個腔室，用于檢測和量化哪些蛋白質(zhì)被釋放。這可以用純化室代替，以制備用于生物制劑的蛋白質(zhì)。

“這是一個非常緊湊的過程。你不需要電力，你不需要離心機來生產(chǎn)和分離這些蛋白質(zhì)，”你說。“它使這成為生物制造的良好平臺。您能夠以低成本生產(chǎn)某種類型的藥物，并且易于交付。最重要的是，這個平臺提供了一種簡單的生產(chǎn)方式同時有多種蛋白質(zhì)。“

據(jù)You介紹，這種易用性使得該團隊能夠與Ashutoshi Chilkoti，Alan L. Kaganov教授和杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任的實驗室合作，生產(chǎn)，量化和純化50多種不同的蛋白質(zhì)。他們還探索了他們的平臺如何簡化蛋白質(zhì)復(fù)合物的產(chǎn)生，蛋白質(zhì)復(fù)合物是由多種蛋白質(zhì)制成的結(jié)構(gòu)。

在一個從多種酶產(chǎn)生脂肪酸合成途徑的概念驗證實驗中，“我們能夠使用七種版本的微生物swarmbots，每種都被編程生產(chǎn)出不同的酶，”You說。“通常，為了產(chǎn)生代謝途徑，你需要平衡供應(yīng)鏈，這可能涉及上調(diào)一種酶的表達并下調(diào)另一種酶的表達。使用我們的平臺你不需要這樣做，你只需要設(shè)定正確的swarmbots比例。“