Los materiales vivos diseñados prometen ayudar a los esfuerzos en la salud humana, la energía y la remediación ambiental. Ahora se pueden construir en grande y personalizar con menos esfuerzo.

Los biocientíficos de la Universidad de Rice han introducido colonias de bacterias modificadas genéticamente, a escala centimétrica, que se autoensamblan de abajo hacia arriba. Se pueden programar para absorber contaminantes del medio ambiente o para catalizar reacciones biológicas, entre muchas aplicaciones posibles.

La creación de materiales vivos de ingeniería autónomos, o ELM, ha sido un objetivo de la biocientífica Caroline Ajo-Franklin desde mucho antes de unirse a Rice en 2019.

"Estamos haciendo material a partir de bacterias que actúa como masilla", dijo Ajo-Franklin. "Una de las cosas hermosas de esto es lo fácil que es de hacer, solo necesita un poco de movimiento, algunos nutrientes y bacterias".

Un estudio publicado esta semana en Nature Communications detalla la creación del laboratorio de ELM flexibles y adaptables utilizando Caulobacter crescentus como componente biológico. Si bien las bacterias en sí pueden modificarse genéticamente fácilmente para varios procesos, diseñarlas para que se autoensamblen ha sido un proceso largo y complicado.

Involucró la ingeniería de bacterias para mostrar y secretar la matriz de biopolímero que le da forma al material. C. crescentus ya expresa una proteína que cubre su membrana externa como las escamas de una serpiente. Los investigadores modificaron la bacteria para expresar una versión de esa proteína, a la que llamaron BUD (por bottom-up de novo, como desde cero), con características que no solo favorecen la formación de ELM (llamadas BUD-ELM), sino que también proporcionan etiquetas para futura funcionalización.

Queríamos demostrar que es posible cultivar materiales a partir de células, como un árbol crece a partir de una semilla", dijo Sara Molinari, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Ajo-Franklin y autora principal del estudio. "El aspecto transformador de los ELM es que contienen células vivas que permiten que el material se autoensamble y se autorrepare en caso de daño. Además, pueden diseñarse aún más para realizar funciones no nativas, como el procesamiento dinámico de estímulos externos".

Molinari, quien obtuvo su doctorado en Rice en el laboratorio del biocientífico Matthew Bennett, dijo que BUD-ELM es el ejemplo más personalizable de un ELM macroscópico formado de forma autónoma. "Muestra una combinación única de alto rendimiento y sostenibilidad", dijo. "Gracias a su naturaleza modular, podría servir como plataforma para generar muchos materiales diferentes".

Los ELM crecen en un matraz en unas 24 horas, según los investigadores. Primero, se forma una capa delgada en la interfaz aire-agua, sembrando el material. La agitación constante del matraz estimula el crecimiento del ELM. Una vez que se expande a un tamaño suficiente, el material se hunde hasta el fondo y no crece más.

"Descubrimos que el proceso de agitación influye en el tamaño del material que obtenemos", dijo el coautor y estudiante graduado Robert Tesoriero Jr. "En parte, estamos buscando el rango óptimo de material que podemos obtener en un frasco de aproximadamente 250 milímetros. . Actualmente es del tamaño de una uña".

"Llegar a una escala de centímetros con una célula de menos de una micra significa que se organizan colectivamente en cuatro órdenes de magnitud, unas 10 000 veces más grandes que una sola célula", añadió Molinari.

Dijo que sus materiales funcionales son lo suficientemente resistentes como para sobrevivir en un frasco en el estante durante tres semanas a temperatura ambiente, lo que significa que pueden transportarse sin refrigeración.

El laboratorio demostró que el BUD-ELM podía eliminar con éxito el cadmio de una solución y podía realizar una catálisis biológica, reduciendo enzimáticamente un transportador de electrones para oxidar la glucosa.

Debido a que los BUD-ELM llevan etiquetas para adherir, Ajo-Franklin dijo que debería ser relativamente fácil modificarlos para aplicaciones ópticas, eléctricas, mecánicas, térmicas, de transporte y catalíticas.

"Hay mucho espacio para jugar, que creo que es la parte divertida", dijo Tesoriero.

"La otra gran pregunta es que, si bien amamos a Caulobacter crescentus, no es el niño más popular de la cuadra", dijo Ajo-Franklin. "La mayoría de la gente nunca ha oído hablar de él. Por lo tanto, estamos realmente interesados ​​en saber si estas reglas que hemos descubierto en Caulobacter se pueden aplicar a otras bacterias".

Ella dijo que los ELM podrían ser especialmente útiles para la remediación ambiental en entornos de bajos recursos. C. crescentus es ideal para esto, ya que requiere menos nutrientes para crecer que muchas bacterias.

"Uno de mis sueños es utilizar el material para eliminar los metales pesados ​​del agua y luego, cuando llegue al final de su vida útil, extraer una pequeña parte y convertirla en material nuevo en el lugar", dijo Ajo-Franklin. "Que pudiéramos hacerlo con recursos mínimos es realmente una idea convincente para mí".

Los coautores del artículo son la estudiante graduada Swetha Sridhar, el investigador postdoctoral Rong Cai y el gerente de laboratorio Jayashree Soman de Rice, Kathleen Ryan de la Universidad de California, Berkeley, y Dong Li y Paul Ashby del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, California. . Ajo-Franklin es profesora de biociencias y becaria del CPRIT en investigación del cáncer. + Explora más

'Andamios' vivos de ingeniería para materiales de construcción