纳米培养胶囊在水分流入导致膨胀破裂。图片来源：Tagbo Niepa
被称为纳米培养的微型生物反应器正在为微生物组研究开辟新可能，特别是在严苛且动态的环境中。每个纳米级胶囊的尺寸大致相当于人类头发的宽度，可容纳数万种微生物，使它们能在原生环境中进行培养。由卡内基梅隆大学化学工程与生物医学工程副教授塔戈·尼帕（Tagbo Niepa）开发的这一系统具有可扩展性和高通量特性，能够在一小时内生成数百万个纳米培养胶囊。当需要释放被封装的微生物（其中一些是有益微生物）时，研究人员需要一种精确的方法来按需破裂这些胶囊。
尼帕希望设计出一种优雅的方法，就像用叉子或刀子轻松敲开鸡蛋一样。"但如果这个'蛋'比鹌鹑蛋小200万倍呢？你该如何获取其内容物？"尼帕问道。
大肠杆菌Nissle 1917纳米培养阵列。这些纳米培养是通过聚合物外壳将微生物包裹在生长介质中形成的微型生物反应器，一小时内可生成数百万个。图片来源：Tagbo Niepa
受到自然界包装方式的启发，尼帕及其合作者设计了具有类似蛋壳韧性的纳米培养外壳。这些外壳足够小，仅能容纳2-5纳升液体；足够坚固，能够承受机械应力；而且足够"智能"，能够按指令破裂。半透性外壳允许小分子交换，使细胞间通信和代谢活动成为可能。
在发表于《化学工程期刊》（Chemical Engineering Journal）的论文中，尼帕、前博士生莎娜-利·戴维森（Shanna-Leigh Davidson）及其合作者设计了纳米培养外壳的化学结构，以控制其机械性能。一旦超过特定阈值，外壳就会破裂，从而提供一种可预测和可控的内容物释放机制。
这个想法源于尼帕早期的实验，当时他注意到纳米培养在约24小时内会轻微收缩。当细菌开始消耗纳米培养内部的食物时，它们的代谢过程会改变渗透压，导致水分从胶囊中扩散出去。"我们想知道是否可以逆转这一系统，并将其用作导致胶囊打开的方法，"尼帕说。
尼帕和戴维森用相当于海水的溶液测试了他们的想法，因为海洋环境是纳米培养的一种可能应用领域。当他们将纳米培养从盐溶液转移到淡水时，渗透作用导致胶囊膨胀并破裂。"外部没有溶质或粒子将水分吸走，所以水分被吸进内部，"尼帕解释道。
为了优化这一方法，尼帕及其合作者调整了纳米培养外壳的化学成分。他们开发了自己特有的聚合物混合物，以获得在渗透压下会破裂的坚固而脆性的外壳。在实验中，他们测试了外壳的弹性特性和膨胀能力。
他们还证明，铂浓度可用于控制外壳的柔韧性和刚性。铂用于催化制造纳米培养外壳时单体之间的交联反应。在较低的铂浓度下，反应发生得更慢，聚合物交联不完全，这使外壳更具柔韧性。添加更多铂会加速连接过程，形成更硬、更刚性的外壳。刚性外壳会以小开口破裂，而更柔韧的外壳则以更大的开口破裂。
"我们使用聚合物的交联密度来调节其力学性能，"尼帕说。"我们希望它具有可调节性，以便允许更多的水分扩散。"纳米培养外壳的设计使研究人员能够利用其机械性能与渗透作用相结合，实现精确控制。
尼帕及其合作者将他们的渗透膨胀方法与两种常见的细胞膜破裂方法进行了比较：珠击法和超声处理。珠击法是将细胞与小的化学惰性珠子混合以分解膜。尼帕及其合作者发现，混合纳米培养会将内容物与胶囊一起粉碎。超声处理将超声波转换为机械能，使细胞膜破裂。这种方法形成的泡沫很难从纳米培养内容物中去除。结果显示，珠击法和超声处理的纳米培养产生的活细胞少于渗透膨胀法。
大肠杆菌Nissle 1917纳米培养在渗透膨胀下破裂，水分流入导致胶囊破裂。这一过程使得活细菌细胞的回收和高纯度遗传物质的提取成为可能。图片来源：Tagbo Niepa
"当我们使用渗透系统而不是珠击法或超声处理时，我们看到了更多的活细胞释放，"尼帕说。"这意味着我们可以获得更纯净的DNA用于研究。"
基因测序是纳米培养潜在应用中的最后步骤之一。例如，在土壤环境中，研究人员可以在纳米培养中培养微生物，然后使用磁铁收集纳米培养，并将其放入淡水系统中使其破裂。收集释放的细胞后，研究人员可以进行测序以识别细胞，或再次培养细胞以进行大规模生产。
通过建立纳米培养内容物的可控释放方法，尼帕及其合作者继续展示纳米培养系统在微生物高通量培养方面的实用性。
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