Los científicos de TU Delft han descubierto cómo las células de microalgas confinadas crecen de manera óptima en materiales vivos fotosintéticos. Con el uso de energía luminosa, las microalgas convierten el CO2 del aire en azúcares, energía y oxígeno para su supervivencia. Estos materiales vivos a base de algas podrían usarse en una variedad de aplicaciones, desde objetos funcionales para CO2 captura, a fuentes de oxígeno para tejidos biológicos.
El equipo, dirigido por Marie-Eve Aubin-Tam y Kunal Masania, ha presentado sus nuevos conocimientos sobre Materiales Avanzados. .
"Los materiales vivos diseñados (ELM) son una nueva y apasionante clase de materiales que tienen el potencial de revolucionar la sociedad", explica el biofísico Aubin-Tam. "Un ejemplo son los materiales vivos fotosintéticos, en los que crecen organismos que realizan activamente la fotosíntesis."
En la naturaleza, muchas bacterias, algas y plantas realizan la fotosíntesis; absorben CO2 , agua y luz y producen azúcares para sobrevivir. "Estudiamos ELM con algas fotosintetizadoras, que en última instancia podrían usarse para suministrar oxígeno a tejidos biológicos o diseñados, donde el suministro de oxígeno es a menudo un factor limitante para el crecimiento". La ingeniería artificial de tejidos biológicos es especialmente importante dada la creciente necesidad de trasplantes de órganos.
"Una de las principales limitaciones que impide que estos materiales se utilicen a mayor escala es que actualmente no sabemos cómo controlar el crecimiento de las células en estos materiales. Esto es lo que hemos investigado. Estudiamos cómo se produce el crecimiento de las células. afectado por la forma del material, la exposición a la luz y el acceso a nutrientes y al CO2 ", dice Aubin-Tam.
"También pudimos demostrar que las células crecieron predominantemente a lo largo de los bordes del material, donde tienen mejor acceso al aire y a la luz", añade Jeong-Joo Oh, primer autor del artículo. Los investigadores descubrieron que una estructura delgada con una gran superficie aumenta la eficiencia de los ELM. En estos, una parte relativamente grande de las células se encuentra a lo largo de los bordes y, por tanto, cerca del aire.
Curiosamente, la naturaleza llegó a la misma conclusión, ya que el crecimiento celular en el ELM coincide con la estructura de la hoja de una planta. Las hojas presentan una estructura delgada con una gran superficie para permitir que una gran parte de las células queden expuestas a la luz solar.
"En nuestros hallazgos, ilustramos que la accesibilidad a la luz y al CO2 es clave. La introducción de una pequeña abertura para el intercambio de gases en las estructuras mejoró visiblemente el crecimiento celular en las capas internas. Pero esto conlleva una deshidratación acelerada, que en última instancia no es buena para las células", afirma el científico de materiales Masania.
Este comportamiento también es análogo al de la naturaleza. Las hojas tienen agujeros muy pequeños, llamados estomas. "Como compuertas, las hojas abren sus estomas para mejorar el intercambio de gases sin dejar escapar demasiada agua. Mecanismos que responden a la escasez de CO2 , como los estomas de una hoja, sería muy beneficioso para los ELM fotosintéticos y aumentaría su longevidad y eficiencia en el futuro", afirma Masania.
En esta investigación, el equipo estudió diferentes formas de materiales y su influencia en el crecimiento de las células. "Para lograrlo, necesitábamos diseñar una nueva composición de la tinta, el material que sale de la impresora. Estábamos buscando una nueva tinta que nos permitiera imprimir objetos más grandes y complejos", explica Aubin-Tam.
Mientras su grupo de la facultad de Ciencias Aplicadas estudiaba el crecimiento de las células, Masania, de la facultad de Ingeniería Aeroespacial, se propuso contribuir al desarrollo de una nueva tinta imprimible en 3D. Junto con Elvin Karana de la facultad de Ingeniería de Diseño Industrial, exploraron las posibilidades de producir estructuras 3D de materiales fotosintéticos vivos para aplicaciones futuras.
"El estudio del crecimiento celular dentro de los ELM es crucial para su uso eficiente y su funcionalidad optimizada", concluye Aubin-Tam. "Esperamos que nuestro trabajo motive a biólogos, científicos de materiales, informáticos e ingenieros a investigar más a fondo el crecimiento celular y las propiedades de esta nueva clase de materiales".
Más información: Jeong‐Joo Oh et al, Crecimiento, distribución y fotosíntesis de Chlamydomonas Reinhardtii en hidrogeles 3D, Materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202305505
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Delft
