Living hydrogels with catalytic function grown from engineered yeast co-cultures

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Materialien, die wir für medizinische Geräte, Soft-Roboter oder sogar Lebensmittel verwenden, nicht in Fabriken mit schweren Maschinen und giftigen Chemikalien hergestellt werden, sondern wie ein Garten gezüchtet werden. Dies ist das Versprechen von technologisch gestalteten lebenden Materialien (Engineered Living Materials) – einem Feld, in dem Wissenschaftler winzige Organismen programmieren, um Strukturen für sie zu bauen. Das Herzstück dieser Geschichte sind Hydrogele, weiche, geleeartige Netzwerke, die hauptsächlich aus Wasser bestehen und lebende Zellen beherbergen sowie das Leben unterstützen können. Diese Materialien sind essenziell für Dinge wie künstliche Haut, Wundauflagen und Gewebegerüste. Die Herstellung war jedoch traditionell ein schwieriger und oft schädlicher Prozess. Um flüssige Proteine in ein festes Gel zu verwandeln, müssen Hersteller normalerweise harte chemische Vernetzer oder teure, gereinigte Enzyme beimischen. Diese Chemikalien können toxisch für genau die Zellen sein, die das Gel eigentlich schützen soll, und die Reinigungsschritte sind energieintensiv und mühsam. Die Natur hat dieses Problem jedoch schon seit Milliarden von Jahren gelöst. Lebende Zellen in unserem eigenen Körper und in der Natur bauen ständig gelartige Strukturen auf und reparieren diese, indem sie Proteine miteinander verbinden, ohne jegliche toxische Zusätze zu verwenden. Die Frage, die sich Forscher gestellt haben, war, ob wir Mikroben lehren können, dasselbe zu tun – also diese nützlichen Materialien einfach durch das Züchten in einer Flüssigkultur zu erschaffen.

Ein Team von Wissenschaftlern der Aalto-Universität und des Imperial College London hat diese Frage nun mit einem begeisterten Ja beantwortet. Sie haben ein System entwickelt, bei dem gentechnisch veränderte Hefezellen ein starkes, funktionales Hydrogel direkt aus einer Flüssigbrühe wachsen lassen, wobei die Notwendigkeit externer Chemikalien oder komplexer Herstellungsschritte vollständig umgangen wird. Die Forscher begannen mit der Untersuchung eines speziellen Typs von Enzym namens Transglutaminase, das wie ein molekularer Kleber wirkt und in der Lage ist, Proteinketten zusammenzufügen, um ein festes Netzwerk zu bilden. Obwohl einige Versionen dieses Enzyms in der Natur vorkommen, entschied sich das Team für bakterielle Versionen, da diese robust sind und keine zusätzlichen Helfermoleküle benötigen, um zu funktionieren. Sie nahmen vier verschiedene bakterielle Enzyme und programmierten Hefezellen, diese zu produzieren. Um den besten Kandidaten zu finden, zeigten sie diese Enzyme auf der Oberfläche der Hefezellen an und nutzten einen Sortierungsprozess, um zu identifizieren, welches Enzym die Hefe am effektivsten produzieren konnte. Sie fanden heraus, dass ein Enzym aus einem Bakterium namens Streptomyces mobaraensis der klare Gewinner war.

Die nächste Herausforderung bestand darin, die Hefe dazu zu bringen, dieses Enzym in die Flüssigkeit zu sezernieren, damit es mit den Proteinen in der Umgebung interagieren konnte. Die Forscher modifizierten die Hefe so, dass sie das Enzym frei in die Brühe abgibt. Sie fügten der Flüssigkultur ein spezifisches Protein namens Casein hinzu, das reich an den Bausteinen ist, die das Enzym zur Arbeit benötigt. Als die Hefezellen in einem ruhigen, ungestörten Behälter wuchsen, begannen sie, das Enzym zu sezernieren. Dieses Enzym begann, die Caseinproteine miteinander zu verknüpfen. Es trat jedoch ein Problem auf: Die Hefezellen sind zu schwer, um zu schweben, weshalb sie zu Boden sanken. Infolgedessen wurde das Enzym nur am Boden produziert, und das Gel bildete sich nur als dicke Schicht dort, während der Rest der Flüssigkeit unverändert blieb. Das Material war nicht gleichmäßig und der Prozess war ineffizient.

Um dies zu lösen, suchten die Forscher nach einem Hinweis in der Natur. Hefezellen in der Wildnis heften sich oft an pflanzliche Materie, wie etwa verrottende Früchte oder Baumrinde, die reich an Cellulose sind. Das Team fragte sich, ob sie winzige Cellulosefasern, bekannt als Nanofibrillen, verwenden könnten, um die Hefezellen in der Flüssigkeit in Schwebe zu halten. Sie fügten eine kleine Menge dieser Nanofibrillen der Kultur hinzu. Diese Fasern wirkten wie ein sanftes, unsichtbares Gerüst, das die Hefezellen im gesamten Volumen der Flüssigkeit in Position hielt. Mit den nun gleichmäßig verteilten Zellen konnte das von ihnen produzierte Enzym die Caseinproteine überall im Behälter erreichen. Das Ergebnis war eine Transformation: Die gesamte Flüssigkeit verwandelte sich innerhalb weniger Tage in ein gleichmäßiges, selbststehendes Hydrogel. Dieses Gel war nicht nur eine einfache Mischung; es besaß eine einzigartige Doppelstruktur. Ein Teil des Netzwerks bestand aus den physikalisch miteinander verhakten Cellulosefasern, und der andere Teil bestand aus den Proteinen, die durch das Enzym der Hefe chemisch verklebt worden waren. Diese Kombination machte das Material bemerkenswert stark und elastisch, sodass es in der Lage war, seine Form auch beim Zusammendrücken zu behalten, während es gleichzeitig zu 94 Prozent aus Wasser bestand.

Die wahre Stärke dieses lebenden Systems liegt jedoch in seiner Fähigkeit, mehr als nur ein Gel zu bauen. Die Forscher demonstrierten, dass sie ein Gel züchten konnten, das zusätzlich eine spezifische chemische Aufgabe erfüllt. Sie kultivierten die gelbildende Hefe zusammen mit einer zweiten Art von Hefe, die darauf programmiert war, ein Enzym zu produzieren, das Antibiotika abbaut. Da beide Arten von Hefe gemeinsam in derscher Flüssigkeit wuchsen, enthielt das resultierende Hydrogel sowohl die strukturellen Proteine als auch das antibiotikaabbauende Enzym. Als sie das Gel testeten, stellten sie fest, dass es erfolgreich die Farbe eines chemischen Indikators verändern konnte, was bewies, dass das lebende Material aktiv eine katalytische Funktion ausführte. Dies bedeutet, dass sie in einem einzigen Schritt ein Material züchteten, das sowohl ein strukturelles Gel als auch ein funktionales Werkzeug war.

Diese Arbeit stellt einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise dar, wie wir über die Herstellung von Materialien nachdenken könnten. Anstatt Chemikalien in einem Bottich zur Reaktion zu zwingen, ließen die Wissenschaftler das Material unter Anleitung der genetischen Anweisungen innerhalb lebender Zellen selbst wachsen. Der Prozess ist einfach, erfordert lediglich die Kultivierung von Hefe in einem flüssigen Medium und vermeidet die Verwendung von toxischen Vernetzern vollständig. Die resultierenden Hydrogele sind stark, flexibel und können so programmiert werden, dass sie spezifische Aufgaben erfüllen, wie etwa das Abbauen schädlicher Substanzen. Da die verwendeten Hefen im Allgemeinen als sicher gelten und die Enzyme bereits in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, öffnet dieser Ansatz die Tür zur Schaffung neuer Arten von biologisch abbaubaren Materialien für die Medizin, die Lebensmittelindustrie und die fortschrittliche Technologie. Die Studie zeigt, dass wir, indem wir mit den natürlichen Fähigkeiten lebender Zellen arbeiten, komplexe, hochleistungsfähige Materialien erzeugen können, die zuvor ohne harte industrielle Prozesse unmöglich herzustellen waren.