Наноинкубаторы для микробов научились открывать с помощью осмоса

Наноинкубаторы трескаются, когда приток воды вызывает набухание и разрыв капсулы. Автор: Тагбо Ньепа

Крошечные биореакторы, называемые наноинкубаторами, открывают новые возможности для исследования микробиомов, особенно в суровых и динамичных средах.

Каждая капсула размером в нанолитр, примерно равная ширине человеческого волоса, может содержать десятки тысяч микробов, что позволяет культивировать их в естественной среде. Разработанная Тагбо Ньепа система масштабируема и высокопроизводительна, способная генерировать миллионы наноинкубаторов в течение часа. Когда приходит время высвободить инкапсулированных микробов, исследователям нужен точный способ вскрыть капсулы по требованию.

Ньепа хотел создать элегантный дизайн, простой, как разбить куриное яйцо вилкой или ножом. «Но что, если это яйцо в 2 миллиона раз меньше перепелиного? Как тогда добраться до его содержимого?» — задаётся вопросом Ньепа, доцент кафедры химической и биомедицинской инженерии Университета Карнеги-Меллон.

Массив наноинкубаторов Escherichia coli Nissle 1917. Эти миниатюрные биореакторы состоят из полимерных оболочек, заключающих в себе микроорганизмы в питательной среде. Миллионы таких капсул можно создать за час. Автор: Тагбо Ньепа

Вдохновившись природной упаковкой, Ньепа и его коллеги создали наноинкубаторы с оболочками, прочными как яичная скорлупа. Они достаточно малы, чтобы вмещать всего 2–5 нанолитров жидкости, достаточно прочны, чтобы выдерживать механическое напряжение, и достаточно «умны», чтобы вскрываться по сигналу. Полупроницаемая оболочка позволяет осуществлять обмен малыми молекулами, обеспечивая межклеточную коммуникацию и метаболическую активность.

В своей статье, опубликованной в журнале Chemical Engineering Journal, исследователи модифицировали химический состав оболочки для контроля её механических свойств. За определённым порогом она лопается, обеспечивая предсказуемое и контролируемое высвобождение содержимого.

Идея пришла к Ньепа в ходе более ранних экспериментов, когда он заметил, что наноинкубаторы слегка сжимаются в течение примерно 24 часов. Когда бактерии начинают потреблять питательные вещества внутри капсулы, их метаболические процессы изменяют осмотическое давление, и вода выходит наружу. «Мы захотели выяснить, можем ли мы обратить эту систему вспять и использовать её для вскрытия капсул», — говорит Ньепа.

Учёные проверили свою идею с раствором, эквивалентным морской воде, поскольку морская среда — одно из потенциальных применений наноинкубаторов. Когда они помещали капсулы из солёного раствора в пресную воду, осмос вызывал их набухание и разрыв. «Снаружи нет растворённого вещества или частицы, которые бы вытягивали воду, поэтому вода втягивается внутрь», — объясняет Ньепа.

Для оптимизации метода исследователи скорректировали химический состав оболочки. Они разработали собственную полимерную смесь для создания прочной, но хрупкой оболочки, которая разрушается под осмотическим давлением. Эксперименты подтвердили эластичные свойства и способность к набуханию.

Также было показано, что концентрация платины может использоваться для контроля гибкости и жёсткости оболочки. Более жёсткие оболочки лопаются с небольшими отверстиями, а более гибкие — с крупными.

Наноинкубаторы Escherichia coli Nissle 1917 вскрываются под действием осмотического набухания. Этот процесс позволяет извлекать живые бактериальные клетки и высокочистый генетический материал. Автор: Тагбо Ньепа

Новый метод сравнили с двумя стандартными способами разрушения клеточных мембран: гомогенизацией с помощью шариков и ультразвуковой обработкой. Оказалось, что осмотическое вскрытие позволяет получить больше живых клеток и более чистую ДНК для дальнейшей работы.

Секвенирование генов — один из финальных этапов в потенциальных применениях наноинкубаторов. Например, в почвенных средах исследователи могут культивировать микробы в капсулах, собрать их с помощью магнита, поместить в пресную воду для вскрытия, а затем выделить клетки для идентификации или массового выращивания.

Разработав метод контролируемого высвобождения содержимого наноинкубаторов, учёные продемонстрировали полезность этой системы для высокопроизводительного культивирования микроорганизмов.

Больше информации: Shanna-Leigh Davidson et al, Tunable lysis of functionalized nanocultures for efficient microbial and nucleic acid recovery, Chemical Engineering Journal (2025). DOI: 10.1016/j.cej.2025.168770.