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(Noticias de Nanowerk) Los materiales vivos diseñados prometen ayudar a la salud humana, la energía y los esfuerzos de limpieza ambiental. Ahora se pueden construir grandes y personalizar con menos esfuerzo.
Científicos de la vida y biólogos sintéticos de la Universidad de Rice han introducido colonias viscosas de bacterias artificiales del tamaño de una pulgada que se autoensamblan de abajo hacia arriba. Puede programarse para absorber contaminantes del medio ambiente o catalizar reacciones biológicas, entre muchos usos potenciales.
La creación de materiales vivos de ingeniería autónoma, o ELM, fue un objetivo de mucho tiempo de la científica de la vida Caroline Ajo-Franklin antes de unirse a Rice en 2019 con una subvención del Instituto de Investigación y Prevención del Cáncer de Texas (CPRIT).
«Hacemos material a partir de bacterias que actúa como masilla», dijo Ajo-Franklin. «Una de las cosas buenas de esto es lo fácil que es prepararlo, solo se necesita un poco de ejercicio, algunos nutrientes y algunas bacterias».
Un estudio publicado en comunicación de la naturaleza («Una matriz de novo para materiales vivos bacterianos macroscópicos») describe la creación de ELM flexibles y adaptables por parte del laboratorio utilizando Caulobacter crescentus como componente biológico. Si bien las bacterias en sí mismas pueden modificarse genéticamente fácilmente para varios procesos, diseñarlas para que se autoensamblen ha sido un proceso largo y complicado.
Se trataba de manipular las bacterias para representar y secretar la matriz de biopolímero que da forma al material. C. Crescentus ya expresa una proteína que cubre su membrana externa como las escamas de una serpiente. Los investigadores modificaron las bacterias para expresar una versión de esta proteína, a la que llaman BUD (por bottom-up de novo, como desde cero), con propiedades que no solo son relevantes para la formación de ELM (llamadas BUD-ELM) son baratas, pero también proporciona etiquetas para futuras funcionalidades.
«Queríamos demostrar que es posible cultivar materiales a partir de células, como un árbol crece a partir de una semilla», dijo la autora principal del estudio, Sara Molinari, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Ajo-Franklin que trabaja en el Doctorado en Biología Física y Sintética de Sistemas de Rice. .D. Programa. “El aspecto transformador de los ELM es que contienen células vivas que permiten que el material se autoensamble y se repare en caso de daño. Además, se pueden desarrollar aún más para realizar funciones no nativas, como B. el procesamiento dinámico de estímulos externos”.
Molinari, quien recibió su Ph.D. en el laboratorio del biocientífico Matthew Bennett de Rice dijo que BUD-ELM es el ejemplo más adaptable 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 crear muchos materiales diferentes».
Según los investigadores, los ELM crecen en una botella en unas 24 horas. Primero, se forma una película delgada en la interfaz aire-agua, que impregna el material. La agitación constante del matraz promueve el crecimiento del ELM. Una vez que se expande a un tamaño suficiente, el material se hunde hasta el fondo y deja de crecer.
«Descubrimos que el proceso de agitación afecta el tamaño del material que obtenemos», dijo el coautor Robert Tesoriero Jr., Ph.D. Estudiante de biología de sistemas, biología sintética y física. “Parte de lo que estamos buscando es la elección óptima de los materiales que podemos conseguir en un pistón de unos 250 milímetros. Actualmente es del tamaño de una uña”.
«Bajar a la escala de centímetros con una célula submicrónica significa que se organizan juntas en cuatro órdenes de magnitud, unas 10.000 veces más grandes que una sola célula», añadió Molinari.
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 realizar una catálisis biológica mediante la reducción enzimática de un transportador de electrones para oxidar la glucosa.
Dado que los BUD-ELM llevan etiquetas para adjuntar, Ajo-Franklin dice 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 amamos Caulobacter crescentus, no es el chico más popular del vecindario», dijo Ajo-Franklin. “La mayoría de la gente nunca ha oído hablar de eso. Así que estamos realmente interesados en saber si estas reglas que descubrimos están ahí. Kaulobacter se puede aplicar a otras bacterias”.
Ella dijo que los ELM podrían ser particularmente útiles para la remediación ambiental en entornos de escasos recursos. C. Crescentus es ideal para esto ya que requiere menos nutrientes para crecer que muchas bacterias.
«Uno de mis sueños es usar el material para eliminar los metales pesados del agua y luego, cuando llegue al final de su vida útil, sustraer una pequeña porción y cultivarla en el lugar hasta convertirla en material fresco», dijo Ajo Franklin. «Que pudiéramos hacerlo con recursos mínimos es realmente una idea convincente para mí».
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