Cercetatorii in inginerie biologica proiecteaza materiale vii
Materialele hibride reprezinta un amestec de celulele bacteriene si elemente lipsite de viata care pot transporta electricitatea sau emite lumina. Inspirati de materiale naturale precum osul, mozaic de minerale si celule vii, cercetatorii de la MIT au creat celule bacteriene capabile sa produca biofilme care pot incorpora materialele fara viata, ca nanoparticulele de aur sau nanocristalele.
Aceste materiale vii combina avantajele celulelor vii, care comunica cu mediul lor, produc molecule biologice complexe si raspândesc diferite lungimi de unda, cu ajutorul materialelor lipsite de viata, care le adauga functii precum conductivitatea electrica sau emiterea luminii.
„Aceste materiale noi reprezinta o demonstratie simpla a impactului acestei abordari si ar putea fi folosite pentru a crea instrumente complexe, precum celulele solare, materialele care se repara singure si senzori care diagnosticheaza anumite maladii”, spune Timothy Lu, asistent profesor in inginerie electrica si inginerie biologica. Lu este autorul unui articol din editia 23 martie a revistei Nature Materials, articol care descrie materialele vii functionale.
„Ideea noastra consta in a imbina lumea vie cu abioticul pentru a gasi materiale hibride ce contin celule vii functionale. Este un mod interesant de a te gândi la sinteza materialelor, foarte diferit de ceea ce gândesc oamenii acum.”
Autorul principal al articolului este Allen Chen, un student cu dublu doctorat la Harvard si MIT. Ceilalti autori sunt: postdoctoranzii Zhengtao Deng, Amando Billing, Urartu Seker si Bijan Zakeri, Michelle Lu, proaspata absolventa MIT si Robert Citork, student absolvent.
Materialele care se proiecteaza singure
Lu si colegii sai au ales sa lucreze cu bacteria E. coli deoarece produce, in mod natural, biofilme care contin asa numitele ,,fibre crete”, adica proteine amiloide ce ajuta bacteria sa se fixeze pe suprafata. Fiecare fibra este formata dintr-un lant de subunitati proteice identice denumite CsgA, care pot fi modificate prin adaugarea peptidelor. Aceste peptide pot capta materialele lipsite de viata, precum nanoparticulele de aur, incorporându-le in biofilme.
Prin programarea celulelor sa produca diferite tipuri de fibre crete in anumite conditii, cercetatorii au reusit sa controleze proprietatile biofilmelor si sa creeze nanofire de aur, biofilme conductoare, filme acoperite cu nanocristale, sau cristale mici care expun proprietati mecanice conductoare. Acestea proiecteaza celulele astfel incât sa poate comunica intre ele si sa schimbe, in timp, compozitia biofilmului.
La inceput, echipa de la MIT a dezactivat abilitatea naturala a celulelor bacteriale de a produce CsgA, apoi a inlocuit-o cu un circuit artificial care produce CsgA, dar doar in anumite conditii; mai exact, atunci când este prezenta molecula AHL. Astfel, echipa de cercetare detine controlul asupra productiei de fibre crete si poate ajusta cantitatea de molecule AHL din celule. Când aceasta molecula este prezenta, celulele degaja CsgA; ulterior, fibrele crete se transforma intr-un biofilm, acoperind suprafata pe care creste bacteria.
Dupa aceea, cercetatorii au creat celule E. coli care sa produca CsgA cu peptide formate din gramezi de histidina, un aminoacid esential, dar doar atunci când este prezenta molecula aTc. Cele doua tipuri de celule artificiale pot creste impreuna intr-o colonie, permitând cercetatorilor sa controleze compozitia materiala a biofilmului prin modificarea cantitatii de molecule AHL si aTc din mediu. Daca ambele sunt prezente, biofilmul va contine un mixtura de fibre. Daca nanoparticulele de aur sunt adaugate in mediu, histidina se va prinde de ele, formând siruri de nanofire de aur, adica o retea conductoare electrica.
Celulele care comunica intre ele
Cercetatorii au demonstrat ca celulele pot functiona impreuna pentru a controla compozitia biofilmului. Acestia au construit celule care produc CsgA si AHL, care stimuleaza apoi alte celule sa produca CsgA cu histidina.
„Este un sistem simplu si, in timp, vom obtine fibre crete marcate din ce in ce mai mult de particulele de aur. Aceasta demonstreaza ca putem crea celule care comunica intre ele si ca acestea pot schimba, in timp, compozitia materialului. in final, speram sa imitam modul in care se formeaza anumite sisteme naturale, precum cel osos. Desi nimeni nu ii da comenzi acestui sistem, el genereaza un material ca raspuns la semnalele mediului”, precizeaza Lu.
Pentru a adauga nanocristale in fibrele crete, cercetatorii au creat celule care produc fibrele respective impreuna cu o polipeptida, denumita SpyTag, care se leaga de nanocristalele acoperite cu proteina SpyCatcher. Aceste celule pot sa creasca impreuna cu bacteria care produce fibre cu histidina, rezultând intr-un material care contine atât nanocristale, cât si nanoparticule de aur.
Aceste materiale hibride ar merita sa fie cercetate, deoarece ar putea fi utile in instalatii energetice, cum ar fi bateriile si celulele solare. De asemenea, cercetatorii doresc sa acopere biofilmele cu enzime care catalizeaza dezmembrarea celulozei care ar putea fi utilizata in convertirea deseurilor agricole in biocarburanti. in plus, materialele hibride ar mai putea fi folosite si ca structuri pentru tesuturile artificiale sau in dispozitivele de diagnostic.
„Cred ca aceasta cercetare este uimitoare, deoarece reprezinta o asociere masiva a biologiei sintetice si a materialelor artificiale”, spune Lingchong You, profesor asociat de inginerie biomedicala la Universitatea Duke, care nu a facut parte din echipa de cercetare.
Cercetarea a fost finantata de Biroul pentru Cercetare Navala, Biroul de Cercetare al Armatei, Fundatia Nationala stiintifica, Fundatia Hertz, Departamentul de Aparare, Institutul National de Sanatate si de agentiile care ofera premiul Presidential Early Career, oferit oamenilor de stiinta si inginerilor.
Sursa: MIT News
- Machu Picchu – Leaganul civilizatiei incase - 15 aprilie 2018
- Inventii care ne-au marcat: Roata. Cine, cand si cum a inventat-o - 2 aprilie 2018
- Samsung Galaxy S7: Cum va arata el, VIDEO si specificatii tehnice - 26 februarie 2016
