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

Imaginez un monde où les matériaux que nous utilisons pour fabriquer des dispositifs médicaux, des robots mous ou même de la nourriture ne sont pas fabriqués dans des usines avec des machines lourdes et des produits chimiques toxiques, mais sont plutôt cultivés, tel un jardin. C'est la promesse des matériaux vivants d'ingénierie, un domaine où les scientifiques programment de minuscules organismes pour construire des structures à leur place. Au cœur de cette histoire se trouvent les hydrogels, des réseaux mous et gélatineux composés principalement d'eau, capables de contenir des cellules vivantes et de soutenir la vie. Ces matériaux sont essentiels pour des applications telles que la peau artificielle, les pansements et les échafaudages tissulaires. Cependant, leur fabrication est traditionnellement un processus difficile et souvent nocif. Pour transformer des protéines liquides en un gel solide, les fabricants doivent généralement ajouter des agents de réticulation chimiques agressifs ou des enzymes purifiées coûteuses. Ces produits chimiques peuvent être toxiques pour les cellules mêmes que le gel est censé protéger, et les étapes de purification sont énergivores et fastidieuses. La nature, cependant, résout ce problème depuis des milliards d'années. Les cellules vivantes de notre propre corps, et dans le monde naturel, construisent et réparent constamment des structures gélatineuses en reliant des protéines entre elles sans aucun additif toxique. La question que les chercheurs se posent est de savoir si nous pouvons apprendre aux microbes à faire la même chose, en créant ces matériaux utiles simplement en les faisant croître dans une culture liquide.

Une équipe de scientifiques de l'Université Aalto et de l'Imperial College London a maintenant répondu à cette question par un « oui » retentissant. Ils ont développé un système où des cellules de levure modifiées font croître un hydrogel solide et fonctionnel directement à partir d'un bouillon liquide, contournant ainsi complètement le besoin de produits chimiques externes ou d'étapes de fabrication complexes. Les chercheurs ont commencé par examiner un type spécifique d'enzyme appelé transglutaminase, qui agit comme une colle moléculaire, capable de recoudre les chaînes protéiques pour former un réseau solide. Bien que certaines versions de cette enzyme existent dans la nature, l'équipe a choisi d'utiliser des versions bactériennes car elles sont robustes et ne nécessitent pas de molécules auxiliaires supplémentaires pour fonctionner. Ils ont pris quatre enzymes bactériennes différentes et ont programmé des cellules de levure pour les produire. Pour trouver la meilleure candidate, ils ont exposé ces enzymes à la surface des cellules de levure et ont utilisé un processus de tri pour identifier laquelle la levure pouvait produire le plus efficacement. Ils ont découvert qu'une enzyme provenant d'une bactérie appelée Streptomyces mobaraensis était la grande gagnante.

Le défi suivant consistait à amener la levure à sécréter cette enzyme dans le liquide afin qu'elle puisse agir sur les protéines de l'environnement environnant. Les chercheurs ont modifié la levure pour qu'elle libère l'enzyme librement dans le bouillon. Ils ont ajouté une protéine spécifique appelée caséine, riche en blocs de construction dont l'enzyme a besoin pour fonctionner, à la culture liquide. Lorsque les levures ont été laissées à croître dans un récipient calme et immobile, elles ont commencé à sécréter l'enzyme. Cette enzyme a commencé à lier les protéines de caséine entre elles. Cependant, un problème est apparu : les cellules de levure sont trop lourdes pour flotter, elles ont donc coulé au fond du récipient. En conséquence, l'enzyme n'a été produite qu'au fond, et le gel ne s'est formé que sous la forme d'une couche épaisse là, laissant le reste du liquide inchangé. Le matériau n'était pas uniforme et le processus était inefficace.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont tournés vers la nature pour trouver un indice. Les cellules de levure dans la nature s'accrochent souvent à la matière végétale, comme les fruits en décomposition ou l'écorce des arbres, qui sont riches en cellulose. L'équipe s'est demandé s'ils pouvaient utiliser de minuscules fibres de cellulose, connues sous le nom de nanofibrilles, pour maintenir les cellules de levure en suspension dans le liquide. Ils ont ajouté une petite quantité de ces nanofibrilles à la culture. Ces fibres ont agi comme un échafaudage invisible et doux, maintenant les cellules de levure en place dans tout le volume du liquide. Avec les cellules désormais réparties uniformément, l'enzyme qu'elles produisaient a pu atteindre les protéines de caséine partout dans le récipient. Le résultat fut une transformation : l'intégralité du liquide s'est transformée en un hydrogel uniforme et auto-portant en quelques jours. Ce gel n'était pas qu'un simple mélange ; il possédait une structure double unique. Une partie du réseau était constituée de fibres de cellulose physiquement emmêlées, et l'autre partie était constituée de protéines chimiquement collées par l'enzyme de la levure. Cette combinaison a rendu le matériau remarquablement fort et élastique, capable de conserver sa forme même lorsqu'il est pressé, tout en étant composé à 94 % d'eau.

La véritable puissance de ce système vivant réside toutefois dans sa capacité à faire plus que simplement construire un gel. Les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient cultiver un gel qui accomplit également une tâche chimique spécifique. Ils ont co-cultivé la levure productrice de gel avec un second type de levure modifiée pour produire une enzyme qui décompose les antibiotiques. Comme les deux types de levure poussaient ensemble dans le même liquide, l'hydrogel résultant contenait à la fois les protéines structurelles et l'enzyme décomposant l'antibiotique. Lorsqu'ils ont testé le gel, ils ont constaté qu'il pouvait changer avec succès la couleur d'un indicateur chimique, prouvant que le matériau vivant accomplissait activement une fonction catalytique. Cela signifie qu'en une seule étape, ils ont fait croître un matériau qui était à la fois un gel structurel et un outil fonctionnel.

Ce travail représente un changement fondamental dans notre façon de concevoir la fabrication des matériaux. Au lieu de forcer des produits chimiques à réagir dans une cuve, les scientifiques laissent le matériau se construire lui-même, guidé par les instructions génétiques à l'intérieur des cellules vivantes. Le processus est simple, ne nécessitant que la culture de levures dans un milieu liquide, et il évite entièrement l'utilisation de réticulants toxiques. Les hydrogels résultants sont solides, flexibles et peuvent être programmés pour accomplir des tâches spécifiques, comme la décomposition de substances nocives. Comme les levures utilisées sont généralement reconnues comme sûres et que les enzymes sont déjà utilisées dans l'industrie alimentaire, cette approche ouvre la voie à la création de nouveaux types de matériaux biodégradables pour la médecine, l'alimentation et la technologie de pointe. L'étude montre qu'en travaillant avec les capacités naturelles des cellules vivantes, nous pouvons cultiver des matériaux complexes et de haute performance qui étaient auparavant impossibles à fabriquer sans processus industriels rudes.