Las bacterias magnéticas pronto podrían usarse para la producción de nuevos biomateriales. Un equipo de microbiólogos de la Universidad de Bayreuth dirigido por el Prof.Dr. Dirk Schüler desarrolló un sistema modular para la reprogramación genética de bacterias, convirtiendo así a los organismos en fábricas de células para nanopartículas magnéticas multifuncionales que combinan varias funciones y propiedades útiles. Debido a sus excepcionales propiedades magnéticas y buena biocompatibilidad, estas nanopartículas podrían ser un nuevo material prometedor en el campo biomédico y biotecnológico. En el diario Pequeña los científicos presentaron sus hallazgos.

De magnetosomas a nanopartículas versátiles

Las bacterias magnéticas de la especie Magnetospirillum gryphiswaldense alinean su comportamiento de natación a lo largo del campo magnético de la Tierra. Dentro de las celdas nanopartículas magnéticas, los magnetosomas, están dispuestos en forma de cadena, formando así una aguja de brújula intracelular. Cada magnetosoma consta de un núcleo de óxido de hierro magnético rodeado por una membrana. Además de los lípidos, esta membrana también contiene una variedad de proteínas diferentes. Los microbiólogos de la Universidad de Bayreuth ahora han logrado el acoplamiento de grupos funcionales bioquímicamente activos, que se originan a partir de varios organismos extraños, a estas proteínas. El método utilizado aquí comienza en la etapa de los genes que son responsables de la biosíntesis de las proteínas de membrana. Estos genes bacterianos se fusionan con genes extraños de otros organismos que controlan la producción de las respectivas proteínas funcionales. Tan pronto como los genes se reintegren en el genoma, las bacterias reprogramadas producen magnetosomas que exhiben estas proteínas extrañas instaladas permanentemente en la superficie de la partícula.

En el estudio, Se acoplaron cuatro grupos funcionales diferentes (es decir, proteínas extrañas) a las proteínas de membrana. Estos incluyen la enzima glucosa oxidasa de un hongo de moho, que ya se utiliza biotecnológicamente, por ejemplo, como "sensor de azúcar" en enfermedades diabéticas. Además, una proteína verde fluorescente de una medusa y una enzima productora de colorante de la bacteria Escherichia coli, cuya actividad se puede medir fácilmente, se instalaron en la superficie de los magnetosomas. El cuarto grupo funcional es un fragmento de anticuerpo de un lama (Alpaca) que se utilizó como conector versátil. Por lo tanto, todas estas propiedades, incluida la magnífica magnetización de los magnetosomas, están codificadas genéticamente en las bacterias.

"Usando esta estrategia genética, reprogramamos las bacterias para producir magnetosomas que brillan en verde cuando se irradian con luz ultravioleta y, al mismo tiempo, muestran nuevas funciones biocatalíticas. Varias funciones bioquímicas se pueden instalar con precisión en sus superficies. De este modo, Los magnetosomas de bacterias vivas se transforman en nanopartículas multifuncionales con funciones y propiedades fascinantes. Es más, las partículas permanecen completamente funcionales cuando se aíslan de las bacterias, lo que se puede realizar fácilmente aprovechando sus propiedades magnéticas inherentes, "dice el profesor Dirk Schüler, quien dirigió el equipo de investigación.

Un conjunto de herramientas genéticas para aplicaciones en biomedicina y biotecnología

La funcionalización de los magnetosomas de ninguna manera se limita a los grupos funcionales que fueron instalados en la superficie de la partícula por los microbiólogos de Bayreuth. En lugar de, estas proteínas pueden ser reemplazadas fácilmente por otras funciones, proporcionando así una plataforma muy versátil. Por tanto, la reprogramación genética abre un amplio espectro para diseñar la superficie del magnetosoma. Proporciona la base para un "conjunto de herramientas genéticas" que permite la producción de nanopartículas magnéticas a medida, combinando diferentes funciones y propiedades útiles. Cada una de estas partículas tiene un tamaño de entre tres y cinco nanómetros.

"Nuestro enfoque de ingeniería genética es altamente selectivo y preciso, en comparación con, por ejemplo, técnicas de acoplamiento químico que no son tan eficientes y carecen de este alto grado de control, "explica el microbiólogo de Bayreuth Dr. Frank Mickoleit, el primer autor del estudio. Señala una ventaja decisiva de los nuevos biomateriales:"Estudios anteriores muestran que es probable que las nanopartículas magnéticas no sean dañinas para los cultivos celulares. Una buena biocompatibilidad es un requisito previo importante para la futura aplicación de las partículas en biomedicina". por ejemplo, como agentes de contraste en técnicas de formación de imágenes magnéticas o como sensores magnéticos en diagnósticos. En el futuro, por ejemplo, partículas similares podrían ayudar a detectar y destruir células tumorales. Los sistemas de biorreactores son otro campo de aplicación. Las nanopartículas magnéticas equipadas con pequeños catalizadores serían muy adecuadas para este propósito y permitirían procesos bioquímicos complejos.

"Existe un enorme potencial de aplicación para las nanopartículas que muestran diferentes grupos funcionales en la superficie, particularmente en los campos de la biotecnología y la biomedicina. Las bacterias magnéticas ahora pueden servir como plataforma para un juego de herramientas nano versátil, inspirar la creatividad científica en el campo de la biología sintética. Iniciará otros enfoques de investigación interesantes, "agrega la microbióloga Clarissa Lanzloth B.Sc., quien participó en el nuevo estudio como coautora durante la finalización de su tesis de maestría en bioquímica y biología molecular en Bayreuth.