19. Dez. 2023 (Nanowerk-Scheinwerfer) Gentechnisch veränderte Mikroben bergen ein erstaunliches Potenzial als lebende Fabriken, Diagnosewerkzeuge, Umweltreiniger und mehr. Doch trotz all ihrer Versprechen sind diese Organismen weitgehend auf sorgfältig kontrollierte Laborumgebungen beschränkt und nicht in der Lage, unter den variablen Bedingungen natürlicher und industrieller Lebensräume zu gedeihen. Die Zerbrechlichkeit manipulierter Zellen hat ihre Auswirkungen in der Praxis in den Bereichen Fertigung, Gesundheitswesen, Nachhaltigkeit und Weltraumforschung, in denen mikrobielle Lösungen zu enormen Fortschritten führen könnten, erheblich eingeschränkt. Jetzt bietet ein geniales Biohybridmaterial, das von Forschern prominenter chinesischer Institutionen entwickelt wurde, endlich die Möglichkeit, modifizierte Mikroben für den geschützten Transport und die selektive Freisetzung stabil einzukapseln. Ihre sogenannten „lebenden Samen“ integrieren robuste Bakteriensporen in Schutzhüllen aus metallorganischen Gerüsten, einer äußerst anpassungsfähigen Klasse kristalliner poröser Materialien. Diese Spezialschiffe schützen Designer-Mikroben vor Umwelteinflüssen, ermöglichen eine präzise Kontrolle über den Einsatz von Organismen und könnten eine neue Ära einläuten, in der genetisch veränderte Mikroben aufbrechen, um die Realität neu zu gestalten. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in Fortgeschrittene Werkstoffe (“Living Seed Materials Made by Metal–Organic Framework-Encapsulated Bacillus subtilis Spore”). Durch die Einkapselung gentechnisch veränderter Stoffe Bacillus subtilis Sporen im Inneren metallorganisches Gerüst (MOF)-Schalen schufen die Forscher „lebende Samen“-Partikel, die Mikroben unter feindlichen Bedingungen schützen und gleichzeitig eine kontrollierte Freisetzung in Wachstumsmedien ermöglichen. Dieser Durchbruch beseitigt ein seit langem bestehendes Hindernis für Technologien für gentechnisch veränderte Organismen (GVO), die im Labor tendenziell gute Leistungen erbringen, in unvorhersehbaren realen Umgebungen jedoch Probleme haben.
Eine schematische Darstellung des Designs lebender Samenmaterialien, inspiriert vom Wachstum eines riesigen Baums aus einem Pflanzensamen. a) Der Lebenszyklus eines Pflanzensamens aus einem natürlichen Material; Das Endosperm von Angiospermenpflanzen bildet während der Samenentwicklung eine Kern-Schale-Struktur aus Kernen, die eine Nussschale umgibt. In wünschenswerten nährstoffreichen Umgebungen kann der Samen zu einem riesigen Baum heranwachsen. b) In Anlehnung an einen Pflanzensamen wird die Entwicklung MOF-verkapselter Sporen als lebendes Samenmaterial vorgeschlagen. Die Sporen manipulierter Bakterien können in eine ZIF-8-Kern-Schale-Struktur eingekapselt werden. Sobald dieses lebende Samenmaterial hergestellt ist, kann es auf spezifische Umweltbedingungen reagieren und die Sporen freisetzen, die dann schließlich zu funktionellen lebenden Bakterien mit vorgefertigten Eigenschaften keimen. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Die Inspiration für die lebenden Samen kam aus der Natur. Pflanzensamen enthalten schützende Außenhüllen, die das embryonale Gewebe vor Stress wie Trockenheit und UV-Strahlung schützen, bis die Bedingungen für die Keimung reif sind. Die Forscher wollten diesen adaptiven Mechanismus mithilfe von MOFs nachbilden, einer hochgradig anpassbaren Klasse poröser Materialien, die aus Metallknoten bestehen, die durch organische Linkermoleküle verbrückt sind.
MOFs besitzen nützliche Eigenschaften wie eine große Oberfläche, strukturelle Integrität und Reaktionsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Diese Eigenschaften machten MOFs zu attraktiven Gefäßen für die Unterbringung gentechnisch veränderter B. subtilis-Sporen mit in ihrer DNA programmierten erweiterten Funktionen. B. Subtilis-Sporen wurden aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit und ihrer Fähigkeit, sich bei Nahrung als vegetative Bakterien wiederzubeleben, ausgewählt. Durch die Expression fluoreszierender Reporterproteine in den Sporen konnte das Team die Übergänge von Sporen zu Bakterien visuell verfolgen.
Bei der Herstellung lebender Samen wurden Sporen und Metallionen in winzigen Wassertröpfchen suspendiert, die wässrige Phase in Öl emulgiert und dann um jedes Tröpfchen herum eine poröse ZIF-8-MOF-Hülle ausgefällt. Dies ergab gleichmäßige, hohle Mikrokügelchen mit Sporen im inneren Hohlraum. Die Kugeln schützten die inneren Sporen bei aggressiven Behandlungen wie hoher Hitze, oxidativem Bleichmittel und UV-Bestrahlung, die ungeschützte Sporen zerstörten. Die Abbauraten von ZIF-8 hingen von den umgebenden Medien ab und ermöglichten eine kontrollierte, durch Nährstoffe ausgelöste Sporenfreisetzung.
Freigesetzte Sporen reiften bei Inkubation in Wachstumsmedien erfolgreich zu funktionsfähigen, manipulierten Bakterien heran. Zu Demonstrationszwecken präparierten die Forscher lebende Samen, die B. subtilis wurde entwickelt, um die Chemikalien IPTG und Kreuzkümmelsäure zu erkennen. Nach der Freisetzung reagierten die Bakterien wieder auf Zielchemikalien mit Empfindlichkeitsschwellen, die mit denen nicht eingekapselter Gegenstücke vergleichbar waren.
Eine solche umweltkontrollierte Konservierung und Wiederbelebung manipulierter Mikroben birgt spannende Möglichkeiten für mikrobielle Technologien, die derzeit auf kontrollierte Umgebungen wie Fabriken und Labore beschränkt sind. Durch die Gewährleistung einer erhöhten Widerstandsfähigkeit könnten lebende Samengefäße es funktionsfähigen GVO ermöglichen, Aufgaben an unvorhersehbaren Orten wie dem menschlichen Magen-Darm-System, kontaminierten Wasservorräten und sogar außerirdischem Gelände zu erfüllen, wenn sporenbeladene Raumschiffe andere Welten erreichen. Darüber hinaus sollte das Konzept des lebenden Saatguts auf andere Mikroorganismentypen übertragen werden können, die durch genetische Modifikation und Sporulation verändert werden können.
Die Forschung stellt eine bahnbrechende Verbindung von synthetischer Biologie und Materialwissenschaft dar. Lebende Saatgutplattformen werden künftigen Anwendungen von gentechnisch veränderten Mikroben in den Bereichen Fertigung, Therapie, Umweltmanagement und Weltraumforschung zugute kommen. Als Hauptautor Dr.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
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