Cientistas da TU Delft descobriram como as células de microalgas confinadas crescem de maneira ideal em materiais vivos de engenharia fotossintética. Com o uso da energia luminosa, as microalgas convertem CO₂ do ar em açúcares, energia e oxigênio para sua sobrevivência. Esses materiais vivos à base de algas poderiam ser usados ​​em diversas aplicações, desde objetos funcionais para CO₂ captura, para fontes de oxigênio para tecidos biológicos.



A equipe, liderada por Marie-Eve Aubin-Tam e Kunal Masania, apresentou seus novos insights em Materiais Avançados .

“Os materiais vivos projetados (ELMs) são uma nova classe interessante de materiais que têm o potencial de revolucionar a sociedade”, explica o biofísico Aubin-Tam. "Um exemplo são os materiais vivos fotossintéticos, nos quais crescem organismos que fotossintetizam ativamente."

Na natureza, muitas bactérias, algas e plantas fotossintetizam; eles absorvem CO₂ , água e luz e produzem açúcares para sobreviver. "Estudamos ELMs com algas fotossintetizantes, que poderiam, em última análise, ser usadas para fornecer oxigênio a tecidos biológicos ou projetados, onde o fornecimento de oxigênio é frequentemente um fator limitante para o crescimento." A engenharia artificial de tecidos biológicos é especialmente importante dada a crescente necessidade de transplantes de órgãos.

Controlando o crescimento

“A principal limitação que impede que esses materiais sejam utilizados em maior escala é que atualmente não sabemos como controlar o crescimento das células nesses materiais. afetado pela forma do material, exposição à luz e acesso a nutrientes e ao CO₂ ", diz Aubin-Tam.

“Também conseguimos mostrar que as células cresceram predominantemente ao longo das bordas do material, onde têm melhor acesso ao ar e à luz”, acrescenta Jeong-Joo Oh, primeiro autor do artigo. Os pesquisadores descobriram que uma estrutura fina com uma grande área superficial aumenta a eficiência dos ELMs. Nestes, uma porção relativamente grande das células é encontrada ao longo das bordas e, portanto, nas proximidades do ar.

A natureza tem a resposta

Curiosamente, a natureza chegou à mesma conclusão, já que o crescimento celular no ELM corresponde à estrutura da folha de uma planta. As folhas apresentam uma estrutura fina com uma grande área de superfície para permitir que uma grande parte das células seja exposta à luz solar.

"Em nossas descobertas, ilustramos que a acessibilidade à luz e ao CO₂ é a chave. A introdução de uma pequena abertura para troca gasosa nas estruturas melhorou visivelmente o crescimento celular nas camadas internas. No entanto, isso tem o custo de uma desidratação acelerada, o que, em última análise, não é bom para as células”, diz o cientista de materiais Masania.

Este comportamento também é análogo à natureza. As folhas possuem buracos muito pequenos, chamados estômatos. “Como portões, as folhas abrem seus estômatos para melhorar as trocas gasosas, sem deixar escapar muita água. Mecanismos que respondem à escassez de CO₂ , como os estômatos de uma folha, seriam altamente benéficos para os ELMs fotossintéticos e aumentariam sua longevidade e eficiência no futuro", diz Masania.

Colaboração interdisciplinar

Nesta pesquisa, a equipe estudou diferentes formatos de materiais e sua influência no crescimento das células. “Para permitir isso, precisávamos projetar uma nova composição de tinta, o material que sai da impressora. Estávamos em busca de uma nova tinta que nos permitisse imprimir objetos maiores e mais complexos”, explica Aubin-Tam.

Enquanto o seu grupo da faculdade de Ciências Aplicadas estudava o crescimento das células, Masania, da faculdade de Engenharia Aeroespacial, decidiu contribuir para o desenvolvimento de uma nova tinta imprimível em 3D. Juntamente com Elvin Karana, da faculdade de Engenharia de Design Industrial, eles exploraram as possibilidades de produção de estruturas 3D de materiais fotossintéticos vivos para aplicações futuras.

“O estudo do crescimento celular dentro dos ELMs é crucial para o seu uso eficiente e funcionalidade otimizada”, conclui Aubin-Tam. "Esperamos que o nosso trabalho motive biólogos, cientistas de materiais, cientistas da computação e engenheiros a investigar mais profundamente o crescimento celular e as propriedades desta nova classe de materiais."

Mais informações: Jeong‐Joo Oh et al, Growth, Distribution, and Photosynthesis of Chlamydomonas Reinhardtii in 3D Hydrogels, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202305505
Informações do diário: Materiais Avançados

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Delft