可编程的swarmbots有助于制作灵活的生物工具

杜克大学的生物医学工程师开发了一个新平台，使用特殊工程细菌制造生物药物，当他们感觉到胶囊变得过于拥挤时，这些细菌会破裂并释放有用的蛋白质。

该平台依赖于两个主要组成部分：被称为“swarmbots”的工程细菌，其被编程以感知其容器内对等物的密度，以及限制swarmbots的生物材料，这是一种多孔胶囊，可以随着变化而缩小。细菌种群。当它收缩时，胶囊会挤出由圈养细菌产生的目标蛋白质。

这个独立的平台可以使研究人员更容易创建，分析和纯化用于小规模生物制造的各种生物制剂。

细菌通常用于生产生物制剂，其是诸如疫苗，基因疗法和从生物来源产生或合成的蛋白质的产品。目前，该过程涉及一系列复杂的步骤，包括细胞培养，蛋白质分离和蛋白质纯化，每个步骤都需要精细的基础设施以确保效率和质量。对于工业操作，这些步骤是大规模进行的。虽然这有助于产生大量的某些分子，但当研究人员需要生产少量不同的生物制剂或在资源有限的环境中工作时，这种设置并不灵活或在经济上可行。

这项新技术由杜克大学生物医学工程教授Lingchong You和前杜克大学博士后研究员戴卓钧开发，现任深圳先进技术研究院副教授。在这项新研究中，他们展示了他们的新平台如何利用swarmbots与其胶囊之间的通信，实现多种蛋白质和蛋白质复合物的多样化生产，分析和纯化。

在早期的概念证明中，You和他的团队设计了一种非致病性的大肠杆菌菌株，当细菌达到一定的密度时会产生抗生素的解毒剂。然后将这些swarmbots限制在胶囊中，胶囊浸泡在抗生素中。如果一个细菌离开了胶囊，它就会被破坏，但如果它留在人口密度高的容器内，它就能存活下来。

“我们的第一项研究基本上显示了单向通信，其中细胞可以感知胶囊内的环境，但环境对细胞没有反应，”你说。“现在，我们有双向沟通 - 工程化的swarmbots仍然可以感知它们的密度和它们的限制，但是我们已经引入了一种材料，当它内部的细菌群体发生变化时可以做出反应。就像两个组件相互交谈一样，他们集体地为你提供了非常有活力的行为。“

含有称为“swarmbots”的定制细菌的胶囊随着它们所含的化学环境而生长和收缩。Swarmbots感觉他们自己的人口密度达到了一定的水平并且分开以释放他们的内容，包括他们被设计制造的蛋白质。然后胶囊收缩并且当引入营养物时该过程重新开始。图片来源：卓卓钧

一旦胶囊内的群体达到一定密度，细菌开始“爆发”，释放所有细胞内容物，包括感兴趣的蛋白质产物。同时，这种细菌生长改变了胶囊内的化学环境，导致其收缩。当它收缩时，它挤出从破裂细胞释放的蛋白质，同时细菌和细胞碎片保持在胶囊内。

收集蛋白质后，研究人员可以在培养皿中添加营养补充剂作为胶囊扩大的提示。这会重置内部环境，让细菌再次开始生长，重新启动过程。根据你的说法，这个循环可以重复长达一周。

为了使该方法对生物制造有用，该团队将胶囊添加到微流体芯片中，其中包括一个腔室，用于检测和量化哪些蛋白质被释放。这可以用纯化室代替，以制备用于生物制剂的蛋白质。

“这是一个非常紧凑的过程。你不需要电力，你不需要离心机来生产和分离这些蛋白质，”你说。“它使这成为生物制造的良好平台。您能够以低成本生产某种类型的药物，并且易于交付。最重要的是，这个平台提供了一种简单的生产方式同时有多种蛋白质。“

据You介绍，这种易用性使得该团队能够与Ashutoshi Chilkoti，Alan L. Kaganov教授和杜克大学生物医学工程系主任的实验室合作，生产，量化和纯化50多种不同的蛋白质。他们还探索了他们的平台如何简化蛋白质复合物的产生，蛋白质复合物是由多种蛋白质制成的结构。

在一个从多种酶产生脂肪酸合成途径的概念验证实验中，“我们能够使用七种版本的微生物swarmbots，每种都被编程生产出不同的酶，”You说。“通常，为了产生代谢途径，你需要平衡供应链，这可能涉及上调一种酶的表达并下调另一种酶的表达。使用我们的平台你不需要这样做，你只需要设定正确的swarmbots比例。“

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