Materialele hibride reprezintă un amestec de celulele bacteriene şi elemente lipsite de viaţă care pot transporta electricitatea sau emite lumina. Inspiraţi de materiale naturale precum osul, mozaic de minerale şi celule vii, cercetătorii de la MIT au creat celule bacteriene capabile să producă biofilme care pot încorpora materialele fără viaţă, ca nanoparticulele de aur sau nanocristalele.
Aceste materiale vii combina avantajele celulelor vii, care comunică cu mediul lor, produc molecule biologice complexe si răspândesc diferite lungimi de undă, cu ajutorul materialelor lipsite de viaţă, care le adaugă funcţii precum conductivitatea electrică sau emiterea luminii.
,,Aceste materiale noi reprezintă o demonstraţie simplă a impactului acestei abordări şi ar putea fi folosite pentru a crea instrumente complexe, precum celulele solare, materialele care se repară singure şi senzori care diagnostichează anumite maladii", spune Timothy Lu, asistent profesor în inginerie electrică şi inginerie biologică. Lu este autorul unui articol din ediţia 23 martie a revistei Nature Materials, articol care descrie materialele vii funcţionale.
,,Ideea noastră constă în a îmbina lumea vie cu abioticul pentru a găsi materiale hibride ce conţin celule vii funcţionale. Este un mod interesant de a te gândi la sinteza materialelor, foarte diferit de ceea ce gândesc oamenii acum.''
Autorul principal al articolului este Allen Chen, un student cu dublu doctorat la Harvard şi MIT. Ceilalţi autori sunt: postdoctoranzii Zhengtao Deng, Amando Billing, Urartu Seker şi Bijan Zakeri, Michelle Lu, proaspătă absolventa MIT şi Robert Citork, student absolvent.
Materialele care se proiectează singure
Lu şi colegii săi au ales să lucreze cu bacteria E. coli deoarece produce, în mod natural, biofilme care conţin aşa numitele ,,fibre creţe'', adică proteine amiloide ce ajută bacteria să se fixeze pe suprafaţă. Fiecare fibră este formată dintr-un lanţ de subunităţi proteice identice denumite CsgA, care pot fi modificate prin adăugarea peptidelor. Aceste peptide pot capta materialele lipsite de viaţă, precum nanoparticulele de aur, încorporându-le în biofilme.
Prin programarea celulelor să producă diferite tipuri de fibre creţe în anumite condiţii, cercetătorii au reuşit să controleze proprietăţile biofilmelor şi să creeze nanofire de aur, biofilme conductoare, filme acoperite cu nanocristale, sau cristale mici care expun proprietăţi mecanice conductoare. Acestea proiectează celulele astfel încât să poate comunica între ele şi să schimbe, în timp, compoziţia biofilmului.
La început, echipa de la MIT a dezactivat abilitatea naturală a celulelor bacteriale de a produce CsgA, apoi a înlocuit-o cu un circuit artificial care produce CsgA, dar doar în anumite condiţii; mai exact, atunci când este prezentă molecula AHL. Astfel, echipa de cercetare deţine controlul asupra producţiei de fibre creţe şi poate ajusta cantitatea de molecule AHL din celule. Când această moleculă este prezentă, celulele degaja CsgA; ulterior, fibrele creţe se transformă într-un biofilm, acoperind suprafaţa pe care creşte bacteria.
După aceea, cercetătorii au creat celule E. coli care să producă CsgA cu peptide formate din grămezi de histidină, un aminoacid esenţial, dar doar atunci când este prezentă moleculă aTc. Cele două tipuri de celule artificiale pot creşte împreună într-o colonie, permiţând cercetătorilor să controleze compoziţia materială a biofilmului prin modificarea cantităţii de molecule AHL şi aTc din mediu. Dacă ambele sunt prezente, biofilmul va conţine un mixtură de fibre. Dacă nanoparticulele de aur sunt adăugate în mediu, histidina se va prinde de ele, formând şiruri de nanofire de aur, adică o reţea conductoare electrică.
Celulele care comunică între ele
Cercetătorii au demonstrat că celulele pot funcţiona împreună pentru a controla compoziţia biofilmului. Aceştia au construit celule care produc CsgA şi AHL, care stimulează apoi alte celule să producă CsgA cu histidină.
,,Este un sistem simplu şi, în timp, vom obţine fibre creţe marcate din ce în ce mai mult de particulele de aur. Aceasta demonstrează că putem crea celule care comunică între ele şi că acestea pot schimba, în timp, compoziţia materialului. În final, sperăm să imităm modul în care se formează anumite sisteme naturale, precum cel osos. Deşi nimeni nu îi dă comenzi acestui sistem, el generează un material ca răspuns la semnalele mediului", precizează Lu.
Pentru a adăuga nanocristale în fibrele creţe, cercetătorii au creat celule care produc fibrele respective împreună cu o polipeptidă, denumită SpyTag, care se leagă de nanocristalele acoperite cu proteina SpyCatcher. Aceste celule pot sa crească împreună cu bacteria care produce fibre cu histidină, rezultând într-un material care conţine atât nanocristale, cât şi nanoparticule de aur.
Aceste materiale hibride ar merita să fie cercetate, deoarece ar putea fi utile în instalaţii energetice, cum ar fi bateriile şi celulele solare. De asemenea, cercetătorii doresc să acopere biofilmele cu enzime care catalizează dezmembrarea celulozei care ar putea fi utilizată în convertirea deşeurilor agricole în biocarburanţi. În plus, materialele hibride ar mai putea fi folosite şi ca structuri pentru ţesuturile artificiale sau în dispozitivele de diagnostic.
,,Cred că această cercetare este uimitoare, deoarece reprezintă o asociere masivă a biologiei sintetice şi a materialelor artificiale", spune Lingchong You, profesor asociat de inginerie biomedicală la Universitatea Duke, care nu a făcut parte din echipa de cercetare.
Cercetarea a fost finanţată de Biroul pentru Cercetare Navală, Biroul de Cercetare al Armatei, Fundaţia Naţională Ştiinţifică, Fundaţia Hertz, Departamentul de Apărare, Institutul Naţional de Sănătate şi de agenţiile care oferă premiul Presidential Early Career, oferit oamenilor de ştiinţă şi inginerilor.
Traducere de Marian Curuescu dupa engineers-design-living-materials
