Quando o interior de uma concha de molusco brilha à luz do sol, a iridescência não é produzida por pigmentos coloridos, mas por minúsculas estruturas físicas auto-montadas a partir de células vivas e componentes inorgânicos. Agora, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desenvolveu uma plataforma para imitar essa capacidade de automontagem por meio da engenharia de células vivas para atuar como um ponto de partida para a construção de materiais compostos.

Materiais vivos projetados (ELMs) usam células vivas como "andaimes de materiais" e são uma nova classe de material que pode abrir a porta para materiais de autocura e outras aplicações avançadas em bioeletrônica, biossensor, e materiais inteligentes. Esses materiais podem imitar propriedades emergentes encontradas na natureza - onde um sistema complexo tem propriedades que os componentes individuais não possuem - como iridescência ou resistência.

Pegando emprestado dessa complexidade vista na natureza, os pesquisadores do Berkeley Lab desenvolveram uma bactéria que pode anexar uma ampla gama de nanomateriais à sua superfície celular. Eles também podem controlar com precisão a composição e a densidade dos componentes, criando um material vivo híbrido estável. O estudo que descreve seu trabalho foi publicado recentemente em Biologia Sintética ACS .

"Uma vez que a ordem hierárquica fundamenta as propriedades de muitos materiais biocompósitos, ser capaz de regular o espaçamento de diferentes componentes em múltiplas dimensões é a chave para projetar ELMs previsíveis, "disse Caroline Ajo-Franklin, um cientista da equipe de Molecular Foundry do Berkeley Lab que conduziu o estudo. "Nossa nova plataforma oferece um ponto de partida versátil que abre uma ampla gama de novas possibilidades para a construção de ELMs."

Tanto as estruturas naturais quanto os ELMs que inspiram são feitos de padrões hierárquicos de materiais. Isso significa que, para um material feito de blocos de construção de tamanho normal, cada bloco grande é feito de blocos menores, e cada um dos blocos menores é feito de peças ainda menores. Por exemplo, moluscos constroem suas conchas a partir de "plaquetas" superfinas de apenas 500 nanômetros de espessura, e cada plaqueta é feita de milhões de minúsculos nanograins com um diâmetro de apenas 30 nanômetros.

Para controlar a automontagem desses tipos de estruturas na superfície das células vivas, Ajo-Franklin e sua equipe aproveitaram as proteínas da camada superficial (camada S) para formar estruturas semelhantes a folhas na superfície de muitos micróbios. "É a diferença entre construir uma base de uma folha sólida que se conforma à superfície da célula e um conjunto desordenado de cordas, "disse Ajo-Franklin, que também tem um cargo conjunto na Divisão de Biofísica Molecular e Bioimagem Integrada do Berkeley Lab na Área de Biociências.

Os pesquisadores escolheram a bactéria Caulobacter crescentus, pois ela pode sobreviver a condições de baixo teor de nutrientes e oxigênio, e sua proteína S-Layer, RsaA, porque é muito bem estudado. A equipe projetou o RsaA com um sistema biológico de "fechadura e chave" para controlar com precisão onde e como os materiais se fixam na superfície da célula.

"Nós construímos um conjunto de bactérias que podem ligar irreversivelmente uma variedade de materiais duros ou macios, como biopolímeros ou nanopartículas semicondutoras, à superfície da célula sem danificar as células, "disse Marimikel Charrier, associado de engenharia científica e autor principal do estudo. "Este kit de construção vivo é um primeiro passo fundamental para a criação de automontagem, autocura, biomateriais híbridos. "