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

Stel je een wereld voor waarin de materialen die we gebruiken om medische hulpmiddelen, zachte robots of zelfs voedsel te maken, niet worden geproduceerd in fabrieken met zware machines en giftige chemicaliën, maar in plaats daarvan worden gekweekt, net als een tuin. Dit is de belofte van engineered living materials (technisch vervaardigde levende materialen), een vakgebied waar wetenschappers minuscule organismen programmeren om structuren voor hen te bouwen. In het hart van dit verhaal staan hydrogels, zachte, geleiachtige netwerken die voornamelijk uit water bestaan en die levende cellen kunnen bevatten en leven kunnen ondersteunen. Deze materialen zijn essentieel voor zaken als kunstmatige huid, wondverband en weefselsteigers. Het maken ervan is echter traditioneel een moeilijk en vaak schadelijk proces geweest. Om vloeibare eiwitten in een vaste gel te veranderen, moeten fabrikanten meestal harde chemische crosslinkers of dure, gezuiverde enzymen toevoegen. Deze chemicaliën kunnen giftig zijn voor de cellen die de gel juist moet beschermen, en de zuiveringsstappen zijn energie-intensief en tijdrovend. De natuur heeft dit probleem echter al miljarden jaren aan het oplossen. Levende cellen in ons eigen lichaam, en in de natuurlijke wereld, bouwen en repareren voortdurend geleiachtige structuren door eiwitketens aan elkaar te koppelen zonder enige giftige additieven. De vraag die onderzoekers zich hebben gesteld is of we microben kunnen leren om hetzelfde te doen: deze nuttige materialen creëren simpelweg door ze te kweken in een vloeibare cultuur.

Een team wetenschappers van de Aalto Universiteit en Imperial College London heeft die vraag nu met een luidruchtig ja beantwoord. Ze hebben een systeem ontwikkeld waarbij gemanipuleerde gistcellen direct een sterke, functionele hydrogel laten groeien uit een vloeibare bouillon, waarbij complexe fabricagestappen of externe chemicaliën volledig worden omzeild. De onderzoekers begonnen door te kijken naar een specifiek type enzym genaamd transglutaminase, dat werkt als een moleculaire lijm en in staat is om eiwitketens aan elkaar te naaien om een vast netwerk te vormen. Hoewel sommige versies van dit enzym in de natuur voorkomen, koos het team voor bacteriële versies omdat deze robuust zijn en geen extra hulpmoleculen nodig hebben om te werken. Ze namen vier verschillende bacteriële enzymen en programmeerden gistcellen om deze te produceren. Om de beste kandidaat te vinden, toonden ze deze enzymen op het oppervlak van de gistcellen en gebruikten ze een sorteerproces om te identificeren welk enzym de gist het meest effectief kon produceren. Ze ontdekten dat een enzym van een bacterie genaamd Streptomyces mobaraensis de duidelijke winnaar was.

De volgende uitdaging was om de gist te laten uitscheiden van dit enzym in de vloeistof, zodat het kan werken op de eiwitten in de omringende omgeving. De onderzoekers manipuleerden de gist om het enzym vrij in de bouillon af te geven. Ze voegden een specifiek eiwit toe, genaamd caseïne, dat rijk is aan de bouwstenen die het enzym nodig heeft om te werken, aan de vloeibare cultuur. Wanneer de gistcellen werden achtergelaten om te groeien in een stille, ongestoorde container, begonnen ze het enzym uit te scheiden. Dit enzym begon de caseïne-eiwitten aan elkaar te koppelen. Er ontstond echter een probleem: de gistcellen zijn te zwaar om te drijven, dus ze zonken naar de bodem van de container. Als gevolg hiervan werd het enzym alleen onderaan geproduceerd en vormde de gel zich alleen in een dikke laag daar, waardoor de rest van de vloeistof onveranderd bleef. Het materiaal was niet uniform en het proces was inefficiënt.

Om dit op te lossen, keken de onderzoekers naar de natuur voor een aanwijzing. Gistcellen in het wild kleven vaak aan plantaardig materiaal, zoals rottend fruit of boomschors, die rijk zijn aan cellulose. Het team vroeg zich af of ze minuscule cellulosevezels, bekend als nanofibrillen, konden gebruiken om de gistcellen in de vloeistof te laten zweven. Ze voegden een kleine hoeveelheid van deze nanofibrillen toe aan de cultuur. Deze vezels fungeerden als een zacht, onzichtbaar steigerwerk dat de gistcellen op hun plaats hield door het gehele volume van de vloeistof. Met de cellen nu gelijkmatig verdeeld, kon het door hen geproduceerde enzym overal in de container bij de caseïne-eiwitten komen. Het resultaat was een transformatie: de gehele vloeistof veranderde binnen enkele dagen in een uniforme, zelfdragende hydrogel. Deze gel was niet zomaar een mengsel; het had een unieke dubbele structuur. Eén deel van het netwerk bestond uit cellulosevezels die fysiek in elkaar verstrengeld waren, en het andere deel bestond uit de eiwitten die chemisch aan elkaar gelijmd waren door het enzym van de gist. Deze combinatie maakte het materiaal opmerkelijk sterk en elastisch, in staat om zijn vorm te behouden zelfs wanneer het wordt samengedrukt, terwijl het nog steeds voor 94 procent uit water bestaat.

De ware kracht van dit levende systeem ligt echter in het vermogen om meer te doen dan alleen een gel bouwen. De onderzoekers demonstreerden dat ze een gel konden kweken die ook een specifieke chemische taak uitvoert. Ze kweekten de gel-makende gist samen met een tweede type gist dat gemanipuleerd was om een enzym te produceren dat antibiotica afbreekt. Omdat beide soorten gist samen in dezelfde vloeistof groeiden, bevatte de resulterende hydrogel zowel de structurele eiwitten als het antibioticum-afbrekende enzym. Wanneer ze de gel testten, ontdekten ze dat deze er succesvol in slaagde de kleur van een chemische indicator te veranderen, wat bewees dat het levende materiaal actief een katalytische functie uitvoerde. Dit betekent dat ze in één stap een materiaal groeiden dat zowel een structurele gel als een functioneel instrument was.

Dit werk vertegenwoordigt een fundamentele verschuiving in hoe we over de productie van materialen kunnen denken. In plaats van chemicaliën in een vat te dwingen tot een reactie, lieten de wetenschappers het materiaal zichzelf groeien, geleid door de genetische instructies in levende cellen. Het proces is eenvoudig, vereist alleen de kweek van gist in een vloeibaar medium, en vermijdt het gebruik van giftige crosslinkers volledig. De resulterende hydrogels zijn sterk, flexibel en kunnen worden geprogrammeerd om specifieke taken uit te voeren, zoals het afbreken van schadelijke stoffen. Omdat de gebruikte gist algemeen als veilig wordt beschouwd en de enzymen al in de voedingsindustrie worden gebruikt, opent deze aanpak de deur naar het creëren van nieuwe soorten biologisch afbreekbare materialen voor de geneeskunde, voedsel en geavanceerde technologie. De studie laat zien dat we, door samen te werken met de natuurlijke vermogens van levende cellen, complexe, hoogwaardige materialen kunnen kweken die voorheen onmogelijk te maken waren zonder harde industriële processen.