p Os organismos vivos desenvolveram mecanismos de biomineralização para construir materiais compostos estruturalmente ordenados e ambientalmente adaptáveis. Embora as equipes de pesquisa tenham melhorado significativamente a pesquisa de mineralização biomimética no laboratório, ainda é difícil projetar compósitos mineralizados com características estruturais e componentes vivos muito parecidos com seus equivalentes nativos. Em um novo relatório agora publicado em Nature Chemical Biology , Yanyi Wang e uma equipe de pesquisa em física, materiais avançados, biologia sintética, e engenharia na China, desenvolveu compostos vivos padronizados e gradientes inspirados em materiais naturais graduados. Eles acoplaram a formação de biofilme bacteriano induzível por luz com a mineralização de hidroxiapatita biomimética (HA) neste trabalho, para mostrar como a localização e o grau de mineralização podem ser controlados. As células nos compostos permaneceram viáveis ​​enquanto detectavam e respondiam aos sinais ambientais. Os compósitos mostraram um aumento de 15 vezes no módulo de Young (ou seja, rigidez, a razão entre o estresse e a deformação) após a mineralização. O trabalho lança luz para desenvolver compósitos vivos com capacidade de resposta dinâmica e adaptabilidade ambiental. p Biomineralização em laboratório

p O organismo vivo pode produzir uma variedade de estruturas compostas orgânico-inorgânicas hierárquicas com base na biomineralização, onde exemplos notáveis ​​incluem os dentes radulares de quitons, escamas de peixes e mandíbulas de lagostim que cumprem diversas funções biológicas. O tempo e o grau de biomineralização devem ser controlados com precisão pelas células para formar estruturas e funções precisas nos organismos vivos. Pesquisas recentes em mineralização biomimética destacaram a importância de explorar abordagens controladas por células para produzir padrões de vida e compostos graduados como uma área promissora, mas amplamente inexplorada. As disciplinas de biologia sintética e ciência dos materiais desencadearam uma série de circuitos genéticos sofisticados e ecológicos para a bioengenharia de uma série de novas funções celulares. Nesse trabalho, Wang et al. desenvolvido bioinspirado, materiais compostos vivos pelo aproveitamento de biofilmes de Escherichia coli indutíveis por luz juntamente com mineralização biomimética. O trabalho abrirá portas para integrar células projetadas para produzir materiais mineralizados com características estruturais e vivas.

p Seleção de módulos de proteína para mineralização de hidroxiapatita (HA) e desenvolvimento de um biofilme sensível à luz

p A equipe selecionou proteínas de fusão para projetar a mineralização, promovendo biofilmes de E. coli. Com base em experiências anteriores, eles selecionaram a proteína Mefp5 - originária de Mytilus edulis, seguido por Mfp3S - originário de Mytilus californianus e outra variante do peptídeo Mfp3S (Mfsp3S-pep) para iniciar a mineralização e promover a adesão. A equipe construiu proteínas de fusão contendo um domínio de proteína principal do biofilme de E. coli para formar proteínas de fusão CsgA-Mfp e confirmou sua secreção potencial de células modificadas. Eles então selecionaram a proteína de fusão CsgA-Mfp3S-pep como representante para a mineralização da hidroxiapatita e conduziram experimentos para verificar a função da proteína para destacar seu papel durante a mineralização e formação de cristais. Depois disso, Wang et al. construiu uma cepa formadora de biofilme induzível por luz chamada luz _receptor -CsgA-Mfp3S-pep que pode ser rigidamente regulado por meio de iluminação de luz azul.

p A cepa sensível à luz pode gerar materiais de biofilme funcional após iluminação com luz para promover a mineralização de hidroxiapatita (HA). Para validar isso, os cientistas expuseram a cepa sensível à luz à luz azul em uma placa de Petri e usaram coloração histológica e imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para mostrar a produção de fibras amilóides nos biofilmes. Comparativamente, eles não observaram fibras amilóides em amostras crescidas no escuro. A matriz extracelular projetada também atuou como um modelo para a mineralização de HA no tempo, que eles confirmaram após 7 dias de incubação com base em técnicas de difração de raios-X (XRD) e espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS).

p Formando compostos vivos controlados

p Com base na natureza sensível à luz dos biofilmes projetados, Wang et al. formação de biofilme manipulado no espaço-tempo para controlar a formação de compósitos. Eles conseguiram isso iluminando um padrão de folha em culturas de bactérias líquidas em placas de petri de poliestireno que recapitulavam fielmente o padrão de luz projetado nos biofilmes bacterianos. Após 7 dias de mineralização, o composto gerado nas placas de Petri manteve o padrão original, conforme observado por meio de microscopia eletrônica de varredura. A abordagem regulada por luz controlou a forma do composto com base em projeções de padrão de grade e resolução espacial de luz em microescala - comparável ao tamanho das bactérias vivas. A equipe então verificou a viabilidade do live, células intactas por meio da engenharia de compostos vivos para expressar proteínas fluorescentes, como confirmado usando imagens de microscopia confocal. Depois disso, eles usaram a análise termogravimétrica para quantificar os componentes inorgânicos de compósitos mineralizados, onde o material inorgânico aumentou proporcionalmente com o tempo de imersão em fluido corporal simulado (SBF). Wang et al. também comparou o módulo de Young do biofilme usando uma técnica de micro-indentação para mostrar como a mineralização fortaleceu os biofilmes de E. coli para proteger as células.

p Compostos de gradiente de densidade controlada

p As abordagens de engenharia de tecidos enfatizaram a necessidade de identificar precisamente entre os tecidos duros e moles para um desempenho fisiológico bem-sucedido, portanto, a intensidade da luz pode ser ajustada para controlar a densidade e as propriedades mecânicas dos materiais vivos projetados. Zhang et al. conseguiu isso expondo culturas de E. coli a diferentes intensidades de iluminação para revelar como a espessura do biofilme diminuía com a diminuição da intensidade da luz azul. Eles mostraram ainda como a mineralização era fortemente e localmente dirigida pelas proteínas de fusão Mfsp3S-pep projetadas. Em seguida, eles estudaram as propriedades mecânicas locais de regiões iluminadas com micro-indentação para observar um aumento de quatro vezes no módulo de Young para destacar compósitos vivos projetados com gradientes minerais ajustáveis ​​e propriedades mecânicas para interfaces regenerativas de tecido para osso em aplicações de engenharia de tecido ósseo.

p Implantando compostos vivos para reparo de danos específicos do local

p Os cientistas também estudaram a capacidade dos biofilmes projetados se agregarem para reparar danos por colagem de microesferas de poliestireno, ao lado da mineralização de HA. Como prova de conceito, eles aplicaram compostos mineralizados vivos para preencher e reparar rachaduras projetadas na superfície de uma placa de Petri de poliestireno. Durante os experimentos, os biofilmes adesivos induzidos pela luz capturaram microesferas em solução para preencher o sulco danificado propositalmente criado, enquanto as nanofibras em biofilmes atuaram como um modelo para a mineralização da hidroxiapatita para consolidar a cimentação induzida pela luz sob iluminação de luz azul. Usando microscopia eletrônica de varredura, Wang et al. mostrou como as bactérias e a matriz extracelular circundante aderiram junto com microesferas para ilustrar a função adesiva dos biofilmes vivos. Os compósitos mineralizados com HA formaram-se densamente, camadas semelhantes a concreto que preencheram o sulco danificado para destacar a funcionalidade de mineralização dos compostos vivos para maior durabilidade e aplicações de reparo.

p Panorama

p Desta maneira, Yanyi Wang e seus colegas produziram compostos vivos padronizados com bioinspiração e compostos vivos classificados com uma plataforma de biofilme regulada por luz. As composições resultantes exibiram capacidade de resposta ambiental semelhante a suas contrapartes nativas. As células dentro dos compósitos permaneceram viáveis ​​e responderam aos estímulos ambientais mesmo após a mineralização. O trabalho abre um caminho para a criação de vida, compostos orgânicos-inorgânicos funcionais com recursos adaptativos e autorreparáveis ​​com aplicações em biomedicina, Medicina regenerativa, e biorremediação. p © 2020 Science X Network