Materiais vivos projetados prometem ajudar os esforços na saúde humana, energia e remediação ambiental. Agora eles podem ser construídos grandes e personalizados com menos esforço.
Biocientistas da Rice University introduziram colônias de bactérias projetadas em escala de centímetros, semelhantes a lodo, que se automontam de baixo para cima. Eles podem ser programados para absorver contaminantes do ambiente ou catalisar reações biológicas, entre muitas aplicações possíveis.

A criação de materiais vivos de engenharia autônoma – ou ELMs – tem sido um objetivo da biocientista Caroline Ajo-Franklin desde muito antes de ingressar na Rice em 2019.

"Estamos fazendo material de bactérias que agem como massa de vidraceiro", disse Ajo-Franklin. "Uma das coisas bonitas sobre isso é como é fácil de fazer, apenas precisando de um pouco de movimento, alguns nutrientes e bactérias."

Um estudo publicado esta semana na Nature Communications detalha a criação do laboratório de ELMs flexíveis e adaptáveis ​​usando Caulobacter crescentus como um bloco de construção biológico. Embora as próprias bactérias possam ser facilmente modificadas geneticamente para vários processos, projetá-las para automontagem tem sido um processo longo e complicado.

Envolveu a engenharia das bactérias para exibir e secretar a matriz de biopolímero que dá forma ao material. C. crescentus já expressa uma proteína que cobre sua membrana externa como escamas de uma cobra. Os pesquisadores modificaram as bactérias para expressar uma versão dessa proteína, que eles chamam de BUD (de bottom-up de novo, como do zero), com características não apenas favoráveis ​​à formação de ELMs (apelidados de BUD-ELMs), mas também fornecendo tags para futura funcionalização.

Queríamos provar que é possível cultivar materiais a partir de células, como uma árvore cresce a partir de uma semente”, disse Sara Molinari, pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Ajo-Franklin e principal autora do estudo. que contêm células vivas que permitem que o material se automonte e se autorrepare em caso de danos. Além disso, eles podem ser projetados para executar funções não nativas, como processar dinamicamente estímulos externos."

Molinari, que obteve seu doutorado em Rice no laboratório do biocientista Matthew Bennett, disse que o BUD-ELM é o exemplo mais personalizável de um ELM macroscópico formado de forma autônoma. "Isso mostra uma combinação única de alto desempenho e sustentabilidade", disse ela. "Graças à sua natureza modular, pode servir como plataforma para gerar muitos materiais diferentes."

ELMs crescem em um frasco em cerca de 24 horas, de acordo com os pesquisadores. Primeiro, uma película fina se forma na interface ar-água, semeando o material. A agitação constante do frasco estimula o crescimento do ELM. Uma vez que se expande para um tamanho suficiente, o material afunda e não cresce mais.

"Descobrimos que o processo de agitação influencia o tamanho do material que obtemos", disse o co-autor e estudante de pós-graduação Robert Tesoriero Jr. "Parcialmente, estamos procurando a faixa ideal de material que podemos obter em um frasco de cerca de 250 milímetros . Atualmente é do tamanho de uma unha."

“Chegar à escala de centímetros com uma célula com tamanho inferior a um mícron significa que eles organizam coletivamente mais de quatro ordens de magnitude, cerca de 10.000 vezes maiores que uma única célula”, acrescentou Molinari.

Ela disse que seus materiais funcionais são robustos o suficiente para sobreviver em um pote na prateleira por três semanas à temperatura ambiente, o que significa que podem ser transportados sem refrigeração.

O laboratório provou que o BUD-ELM pode remover com sucesso o cádmio de uma solução e foi capaz de realizar catálise biológica, reduzindo enzimaticamente um transportador de elétrons para oxidar a glicose.

Como os BUD-ELMs carregam etiquetas para fixação, Ajo-Franklin disse que deve ser relativamente fácil modificá-los para aplicações ópticas, elétricas, mecânicas, térmicas, de transporte e catalíticas.

"Há muito espaço para brincar, o que acho que é a parte divertida", disse Tesoriero.

"A outra grande questão é que, embora gostemos de Caulobacter crescentus, não é o garoto mais popular do quarteirão", disse Ajo-Franklin. "A maioria das pessoas nunca ouviu falar disso. Então, estamos realmente interessados ​​em saber se essas regras que descobrimos em Caulobacter podem ser aplicadas a outras bactérias."

Ela disse que os ELMs podem ser especialmente úteis para remediação ambiental em ambientes de poucos recursos. C. crescentus é ideal para isso, pois requer menos nutrientes para crescer do que muitas bactérias.

“Um dos meus sonhos é usar o material para remover metais pesados ​​da água e, quando chegar ao fim de sua vida útil, retirar uma pequena parte e cultivá-la no local em material fresco”, disse Ajo-Franklin. "Podermos fazer isso com recursos mínimos é realmente uma ideia convincente para mim."

Os coautores do artigo são a estudante de pós-graduação Swetha Sridhar, o pesquisador de pós-doutorado Rong Cai e o gerente do laboratório Jayashree Soman de Rice, Kathleen Ryan da Universidade da Califórnia, Berkeley, e Dong Li e Paul Ashby do Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Califórnia. . Ajo-Franklin é professor de biociências e CPRIT Scholar in Cancer Research. + Explorar mais

Engenharia de 'andaimes' vivos para materiais de construção