开发可支持细胞生长的藻酸盐水凝胶

封装细胞——包括原核和真核细胞——使研究人员能够在水合环境中进行长时间的实验。然而，在这些条件下细胞生长会对包封壳施加很大压力，导致细胞渗漏。在一项新的研究中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发出改良的海藻酸盐水凝胶，可以忍受细菌的生长，使它们能够合成重要的酶。

水凝胶是通过不同化学键增强的聚合物，能够吸水和膨胀而不分解。因此，生物技术研究人员经常求助于这些结构，为他们的细胞培养提供稳定性和结构支持。

“水凝胶胶囊已经使用了50多年。通过在不同的水凝胶环境中组合不同种类的细胞，可以制造出许多不同的类型，”Irudayaraj(CGD/EIRH)实验室的研究生YoonJeong说。“将微生物与水凝胶胶囊结合的问题是它们会泄漏。”

为了解决这个问题，Jeong决定专注于藻酸盐，这是一种在褐藻中发现的天然存在的可食用化合物。尽管之前有人研究过它，但用它来封装细菌一直具有挑战性。

“我的策略是在水凝胶结构的表面制作水凝胶膜，”Jeong说。尽管变化看起来很小，但效果很好。Jeong用经过基因改造的乳酸乳球菌测试了他的系统，发现没有这一层，细菌就会漏出，无法形成生物膜——一种相互粘附的微生物集合。另一方面，改性水凝胶内的乳酸乳球菌菌落能够生长超过10天;水凝胶提供了一个不会破裂的稳定平台。

Jeong还研究了转基因大肠杆菌，它可以合成大量不同的分子，只有当它们能够达到高细胞密度时。他研究了可以产生绿色荧光蛋白的大肠杆菌细胞，当细胞受到紫外线照射时，它会发出绿色信号。“虽然培养产生GFP的大肠杆菌很简单，但它们很快就会死亡，”Jeong说。“我展示了它们在水凝胶内部形成菌落，菌落不断增大，产生GFP，并且不会漏出。”

当他使用生物发光的大肠杆菌细胞时，他取得了同样的结果。这些细菌编码lux基因，导致在黑暗中发光的蓝色细胞。研究人员发现，一旦细菌达到一定的细胞密度，在接下来的3天里，发光量就会持续增加。

制造这些水凝胶的主要目的是开发生物反应器，在它们制造重要化合物的同时支持细菌的生长。为了测试改性水凝胶是否能够维持这样的过程，Jeong还测试了乳酸乳球菌制造乳链菌肽的能力，乳链菌肽是一种用作食品防腐剂的肽。与他们之前的结果一致，细菌能够在改性水凝胶中生长良好，并能够产生这种化合物。

“虽然乍一看制造这些水凝胶结构似乎很简单，但实际上很难。你必须控制它们的大小、厚度，并防止这些胶囊粘在一起而结块，”Jeong说。“具有不同科学背景的研究人员发现这个过程很困难。我们计划很快发布详细的协议，以便人们可以使用这种廉价而简单的技术。”

研究人员也有兴趣继续在人类和癌细胞中进行测试，希望水凝胶能够为广泛的应用提供可靠的平台。