p Pesquisadores da Duke University transformaram as bactérias em criadores de dispositivos úteis, programando-os com um circuito de gene sintético. p À medida que uma colônia bacteriana cresce na forma de um hemisfério, o circuito do gene desencadeia a produção de um tipo de proteína para distribuir dentro da colônia que pode recrutar materiais inorgânicos. Quando fornecido com nanopartículas de ouro por pesquisadores, o sistema forma uma casca dourada ao redor da colônia bacteriana, cujo tamanho e forma podem ser controlados alterando o ambiente de crescimento.

p O resultado é um dispositivo que pode ser usado como um sensor de pressão, provando que o processo pode criar dispositivos de trabalho.

p Enquanto outros experimentos desenvolveram materiais com sucesso usando processos bacterianos, eles confiaram inteiramente no controle externo de onde as bactérias crescem e foram limitados a duas dimensões. No novo estudo, pesquisadores da Duke demonstram a produção de uma estrutura composta programando as próprias células e controlando seu acesso aos nutrientes, mas ainda deixando as bactérias livres para crescer em três dimensões.

p O estudo aparece online em 9 de outubro em Nature Biotechnology .

p "Essa tecnologia nos permite desenvolver um dispositivo funcional a partir de uma única célula, "disse Lingchong You, o professor associado de engenharia Paul Ruffin Scarborough na Duke. "Fundamentalmente, não é diferente de programar uma célula para fazer crescer uma árvore inteira. "

p A natureza está cheia de exemplos de vida combinando compostos orgânicos e inorgânicos para fazer materiais melhores. Moluscos desenvolvem conchas consistindo de carbonato de cálcio entrelaçado com uma pequena quantidade de componentes orgânicos, resultando em uma microestrutura três vezes mais resistente do que o carbonato de cálcio sozinho. Nossos próprios ossos são uma mistura de colágeno orgânico e minerais inorgânicos compostos de vários sais.

p Aproveitar essas habilidades de construção em bactérias teria muitas vantagens sobre os processos de fabricação atuais. Na natureza, a fabricação biológica usa matérias-primas e energia de maneira muito eficiente. Neste sistema sintético, por exemplo, ajustar as instruções de crescimento para criar diferentes formas e padrões poderia, teoricamente, ser muito mais barato e rápido do que fundir as novas matrizes ou moldes necessários para a manufatura tradicional.

p "A natureza é mestre na fabricação de materiais estruturados que consistem em componentes vivos e não vivos, "disse Você." Mas é extraordinariamente difícil programar a natureza para criar padrões auto-organizados. Este trabalho, Contudo, é uma prova de princípio de que não é impossível. "

p O circuito genético é como um pacote biológico de instruções que os pesquisadores incorporam ao DNA de uma bactéria. As instruções primeiro dizem à bactéria para produzir uma proteína chamada T7 RNA polimerase (T7RNAP), que então ativa sua própria expressão em um ciclo de feedback positivo. Ele também produz uma pequena molécula chamada AHL, que pode se difundir no meio ambiente como um mensageiro.

p À medida que as células se multiplicam e crescem para fora, a concentração da pequena molécula mensageira atinge um limite de concentração crítico, desencadeando a produção de mais duas proteínas chamadas lisozima T7 e curli. O primeiro inibe a produção de T7RNAP, enquanto o último atua como uma espécie de velcro biológico que pode se prender a compostos inorgânicos.

p A interação dinâmica desses loops de feedback faz com que a colônia bacteriana cresça em um padrão em forma de cúpula até que fique sem comida. Também faz com que as bactérias do lado de fora da cúpula produzam o velcro biológico, que se agarra a nanopartículas de ouro fornecidas pelos pesquisadores, formando uma concha do tamanho de uma sarda média.

p Os pesquisadores conseguiram alterar o tamanho e a forma da cúpula controlando as propriedades da membrana porosa na qual ela cresce. Por exemplo, alterar o tamanho dos poros ou quanto a membrana repele a água afeta a quantidade de nutrientes que são passados ​​para as células, alterando seu padrão de crescimento.

p "Estamos demonstrando uma maneira de fabricar uma estrutura 3-D baseada inteiramente no princípio da auto-organização, "disse Stefan Zauscher, o professor da família Sternberg de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke. "Essa estrutura 3-D é então usada como um andaime para gerar um dispositivo com propriedades físicas bem definidas. Esta abordagem é inspirada na natureza, e porque a natureza não faz isso sozinha, manipulamos a natureza para fazer isso por nós. "

p Para mostrar como seu sistema pode ser usado para fabricar dispositivos de trabalho, os pesquisadores usaram essas estruturas híbridas orgânicas / inorgânicas como sensores de pressão. Matrizes idênticas de cúpulas foram cultivadas em duas superfícies de substrato. Os dois substratos foram então ensanduichados de modo que cada cúpula fosse posicionada diretamente em frente a sua contraparte no outro substrato.

p Cada cúpula foi então conectada a uma lâmpada LED por meio de uma fiação de cobre. Quando a pressão foi aplicada ao sanduíche, as cúpulas pressionadas umas contra as outras, causando uma deformação resultando em um aumento em sua condutividade. Esse, por sua vez, fez com que as lâmpadas LED correspondentes brilhassem um certo grau, dependendo da quantidade de pressão aplicada.

p "Neste experimento, estamos focados principalmente nos sensores de pressão, mas o número de direções que isso pode tomar é vasto, "disse Will (Yangxiaolu) Cao, um pós-doutorado associado no laboratório de You e primeiro autor do artigo. "Poderíamos usar materiais biologicamente responsivos para criar circuitos vivos. Ou se pudéssemos manter as bactérias vivas, você pode imaginar a fabricação de materiais que podem se curar e responder às mudanças ambientais. "

p "Outro aspecto que estamos interessados ​​em perseguir é como gerar padrões muito mais complexos, "disse Você." As bactérias podem criar padrões complexos de ramificação, simplesmente não sabemos como fazer com que eles mesmos façam isso - ainda. "