Functional and safe encapsulation of Escherichia coli in Pluronic hydrogels for engineered living materials

Abstract

Bacterial growth and metabolic activity are sensitive to the mechanical properties of their environment. Understanding how the 3D spatial confinement regulates the cell behavior is crucial not only for understanding biofilm development but also for the design and safe application of engineered materials containing living cells. This Thesis explores the use of Pluronic-based hydrogels to encapsulate genetically modified Escherichia coli bacteria. Hydrogels with different viscoelastic properties were prepared by mixing Pluronic and Pluronic diacrylate components in different ratios, giving physical hydrogels with variable degree of covalent crosslinking and different mechanical responses. Rheological properties of the hydrogels as well as the growth rate and morphology of the embedded bacterial colonies were characterized. The results provided correlations between material parameters and bacterial cell responses. Further, a bilayer thin film model was developed for long term encapsulation of the organisms, preventing leakage of cells for up to two weeks while maintaining their activity as drug/protein eluting devices or biosensing units. The bacterial bilayer thin films did not elicit significant immune responses in primary immune cells from healthy donors. The results of this Thesis demonstrate the potential of Pluronic-based biohybrid as a suitable and safe prototype for further in vitro and in vivo testing of engineered living material designs.

Wachstum und Stoffwechselaktivität von Bakterien sind sensitiv gegenüber den mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung. Das Verständnis, wie der räumliche 3D-Einschluss das Zellverhalten reguliert, ist sowohl für die Entwicklung von Biofilmen als auch für das Design und die sichere Anwendung von technischen Materialien, die lebende Zellen enthalten, essenziell. Diese Thesis untersucht die Verwendung von Hydrogelen auf Pluronic-Basis zur Verkapselung von genetisch veränderten Escherichia coli Bakterien. Durch die Mischung von Pluronic und Pluronic-Diacrylat in verschiedenen Verhältnissen wurden physische Hydrogele mit unterschiedlichem kovalenten Vernetzungsgrad und viskoelastischen Eigenschaften hergestellt. Die Charakterisierung der rheologischen Eigenschaften der Hydrogele sowie der Wachstumsrate und Morphologie der eingebetteten Bakterien zeigte eine Korrelation zwischen den Materialparametern und dem Zellverhalten. Darüber hinaus wurde ein Doppelschicht-Dünnfilmmodell entwickelt, in dem die Organismen bis zu zwei Wochen ohne Austreten eingeschlossen wurden, während gleichzeitig Medikamenten-, Proteinfreisetzung oder die Aktivität der Zellen als Biosensoren beibehalten wird. Das Modell löste bei primären Immunzellen von gesunden Spendern keine signifikanten Immunreaktionen aus. Diese Thesis zeigt das Potenzial von Biohybriden auf Pluronic-Basis als geeigneten und sicheren Prototyp für weitere in vitro und in vivo Tests von technischen lebenden Materialien.