Thermoplasmonic stimulation of gold nanorods for engineered living materials

Abstract

Engineered Living Materials (ELMs) with living cells in polymer gels enable the synthesis and controlled release of therapeutic molecules. This thesis explores the optical triggering of ELMs using thermoplasmonic gold nanorods (AuNRs) embedded in Pluronic or polyvinyl alcohol hydrogels. Upon near-infrared (NIR) irradiation (808 nm), AuNRs generate localized heat, activating thermoresponsive bacteria. Structured bilayer constructs with an AuNR-containing bottom layer and a bacteria-loaded top layer were developed. NIR light heated the lower layer, and the diffused heat induced mCherry expression in engineered E. coli. Temperature distribution and fluorescence analysis demonstrated controlled bacterial activation and the possibility to control protein production via light intensity. The system was then adapted to produce QK peptide, a VEGF-mimicking angiogenic factor, in a single-layer hydrogel, with secretion monitored via Nanoluciferase. The approach was extended to NIR-sensitized nanocomposite PluDA hydrogels, incorporated in 3D-printed waveguides by a partner. Single- and double-segmented fibers enabled localized heating along the waveguide, with core-shell structures demonstrating confined plasmonic heating. This facilitates NIR-triggered bacterial activation in deep tissue environments, offering a pathway for advanced therapeutic ELMs.

Engineered Living Materials (ELMs) mit lebenden Zellen in Polymergelen ermöglichen die kontrollierte Synthese und Freisetzung therapeutischer Moleküle. Diese Dissertation untersucht die optische Aktivierung von ELMs durch thermoplasmonische Goldnanostäbchen (AuNRs) in Pluronic- oder Polyvinylalkohol-Hydrogelen. Unter der Bestrahlung mit Nahinfrarotlicht (NIR, 808 nm) erzeugen AuNRs lokalisierte Wärme, die thermoresponsive Bakterien aktiviert. Doppelschicht-Konstrukte mit einer AuNR-haltigen Bodenschicht und einer bakterienbeladenen Deckschicht wurden entwickelt. NIR-Licht erwärmte die untere Schicht, diffundierende Wärme induzierte mCherry-Expression in E. coli. Temperatur- und Fluoreszenzanalysen zeigten eine gezielte bakterielle Aktivierung und eine photothermisch steuerbare Proteinproduktion. Das System wurde zur Produktion des angiogenen QK-Peptids in einem einschichtigen Hydrogel adaptiert, und die Sekretion über Nanoluciferase verfolgt. Der Ansatz wurde auf NIR-sensibilisierte nanokomposite PluDA-Hydrogele erweitert, die von einem Partner in 3D-gedruckte Wellenleiter integriert wurden. Segmentierte Fasern ermöglichten lokalisierte Erwärmung und zeigten gezielte plasmonische Erwärmung. Dies erlaubt eine NIR-gesteuerte bakterielle Aktivierung in tiefen Gewebeschichten und bietet einen neuen Ansatz für therapeutische ELMs.