Investigadores de la Universidad de Duke han convertido a las bacterias en constructoras de dispositivos útiles programándolas con un circuito genético sintético.

A medida que una colonia de bacterias adquiere la forma de un hemisferio, el circuito de genes desencadena la producción de un tipo de proteína para distribuir dentro de la colonia que puede reclutar materiales inorgánicos. Cuando los investigadores los suministran con nanopartículas de oro, el sistema forma una cáscara dorada alrededor de la colonia bacteriana, cuyo tamaño y forma pueden controlarse alterando el entorno de crecimiento.

El resultado es un dispositivo que se puede utilizar como sensor de presión, demostrando que el proceso puede crear dispositivos de trabajo.

Mientras que otros experimentos han logrado cultivar materiales utilizando procesos bacterianos, se han basado por completo en el control externo de dónde crecen las bacterias y se han limitado a dos dimensiones. En el nuevo estudio, Los investigadores de Duke demuestran la producción de una estructura compuesta programando las propias células y controlando su acceso a los nutrientes. pero dejando a las bacterias libres para crecer en tres dimensiones.

El estudio aparece en línea el 9 de octubre en Biotecnología de la naturaleza .

"Esta tecnología nos permite hacer crecer un dispositivo funcional a partir de una sola celda, "dijo Lingchong You, el profesor asociado de ingeniería Paul Ruffin Scarborough en Duke. "Fundamentalmente, no es diferente de programar una célula para que crezca un árbol completo ".

La naturaleza está llena de ejemplos de vida que combinan compuestos orgánicos e inorgánicos para hacer mejores materiales. Los moluscos crecen conchas que consisten en carbonato de calcio entrelazado con una pequeña cantidad de componentes orgánicos, dando como resultado una microestructura tres veces más resistente que el carbonato de calcio solo. Nuestros propios huesos son una mezcla de colágeno orgánico y minerales inorgánicos compuestos de varias sales.

Aprovechar estas capacidades de construcción en bacterias tendría muchas ventajas sobre los procesos de fabricación actuales. En naturaleza, La fabricación biológica utiliza materias primas y energía de manera muy eficiente. En este sistema sintético, por ejemplo, Teóricamente, ajustar las instrucciones de crecimiento para crear diferentes formas y patrones podría ser mucho más barato y rápido que fundir los nuevos troqueles o moldes necesarios para la fabricación tradicional.

"La naturaleza es un maestro en la fabricación de materiales estructurados que constan de componentes vivos y no vivos, "Dijo Tú." Pero es extraordinariamente difícil programar la naturaleza para crear patrones autoorganizados. Este trabajo, sin embargo, es una prueba de principio de que no es imposible ".

El circuito genético es como un paquete biológico de instrucciones que los investigadores incrustan en el ADN de una bacteria. Las instrucciones primero le dicen a las bacterias que produzcan una proteína llamada T7 ARN polimerasa (T7RNAP), que luego activa su propia expresión en un ciclo de retroalimentación positiva. También produce una pequeña molécula llamada AHL que puede difundirse en el medio ambiente como un mensajero.

A medida que las células se multiplican y crecen hacia afuera, la concentración de la pequeña molécula mensajera alcanza un umbral de concentración crítico, desencadenando la producción de dos proteínas más llamadas lisozima T7 y curli. El primero inhibe la producción de T7RNAP, mientras que el segundo actúa como una especie de velcro biológico que puede adherirse a compuestos inorgánicos.

La interacción dinámica de estos circuitos de retroalimentación hace que la colonia bacteriana crezca en un patrón en forma de cúpula hasta que se quede sin comida. También hace que las bacterias en el exterior de la cúpula produzcan el velcro biológico, que se adhiere a las nanopartículas de oro proporcionadas por los investigadores, formando un caparazón del tamaño de una peca promedio.

Los investigadores pudieron alterar el tamaño y la forma de la cúpula controlando las propiedades de la membrana porosa en la que crece. Por ejemplo, cambiar el tamaño de los poros o cuánto repele el agua la membrana afecta la cantidad de nutrientes que pasan a las células, alterando su patrón de crecimiento.

"Estamos demostrando una forma de fabricar una estructura 3-D basada completamente en el principio de autoorganización, "dijo Stefan Zauscher, el Profesor de la Familia Sternberg de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales en Duke. "Esa estructura 3-D se utiliza luego como andamio para generar un dispositivo con propiedades físicas bien definidas. Este enfoque está inspirado en la naturaleza, y como la naturaleza no hace esto por sí sola, hemos manipulado la naturaleza para que lo haga por nosotros ".

Para mostrar cómo su sistema podría usarse para fabricar dispositivos de trabajo, los investigadores utilizaron estas estructuras híbridas orgánicas / inorgánicas como sensores de presión. Se cultivaron matrices idénticas de domos en dos superficies de sustrato. Luego, los dos sustratos se emparejaron juntos de modo que cada domo se colocara directamente frente a su contraparte en el otro sustrato.

Luego, cada domo se conectó a una bombilla LED a través de cableado de cobre. Cuando se aplicó presión al sándwich, las cúpulas presionadas entre sí, provocando una deformación que resulta en un aumento de su conductividad. Esta, Sucesivamente, provocó que las bombillas LED correspondientes se iluminaran una cierta cantidad dependiendo de la cantidad de presión que se aplicaba.

"En este experimento, nos centramos principalmente en los sensores de presión, pero la cantidad de direcciones en las que esto podría tomarse es enorme, "dijo Will (Yangxiaolu) Cao, un asociado postdoctoral en el laboratorio de You y primer autor del artículo. "Podríamos usar materiales biológicamente sensibles para crear circuitos vivos. O si pudiéramos mantener viva la bacteria, podría imaginarse fabricando materiales que pudieran curarse a sí mismos y responder a los cambios ambientales ".

"Otro aspecto que nos interesa seguir es cómo generar patrones mucho más complejos, "dijo usted." Las bacterias pueden crear complejos patrones de ramificación, simplemente no sabemos cómo hacer que lo hagan nosotros mismos, todavía ".