Ingenieros diseñan "materiales vivos"

Inspirado en materiales naturales como el hueso, una mezcla de minerales y otras sustancias, incluidas células vivas, ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han inducido células bacterianas para producir biofilms o biopelículas (comunidades de microorganismos que crecen adheridos a una superficie inerte o un tejido vivo) que pueden incorporar materiales no vivos, como nanopartículas de oro y puntos cuánticos.

Estos 'materiales vivos' combinan las ventajas de las células vivas, que responden a su entorno, producen moléculas biológicas complejas y abarcan múltiples escalas de longitud, con las ventajas de los materiales no vivos, que añaden funciones tales como generar electricidad o emitir luz, tal y como se describe en la edición de la revista 'Nature Materiales'.

Los nuevos materiales representan una sencilla demostración de la potencia de este enfoque, que algún día podría usarse para diseñar dispositivos más complejos como células solares, materiales de autocuración o sensores de diagnóstico, afirma el autor principal del artículo, Timothy Lu, profesor asistente de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Biológica.

'Nuestra idea es poner al mundo vivo y no vivo juntos para hacer materiales híbridos que tengan células vivas en ellos y sean funcionales', destaca Lu. 'Es una manera interesante de pensar acerca de la síntesis de materiales, algo muy diferente de lo que se hace ahora, que es generalmente un enfoque de arriba hacia abajo', agrega.

Lu y sus colegas eligieron trabajar con la bacteria 'E. Coli' porque produce naturalmente biopelículas que contienen las llamadas 'fibras curly', proteínas amiloides que ayudan a 'E. Coli' a adherirse a las superficies. Cada fibra curly está hecha de una cadena de repetición de subunidades de proteínas idénticas llamada CsgA, que puede ser modificada mediante la adición de fragmentos de proteína llamados péptidos. Estos péptidos pueden capturar materiales no vivos, como nanopartículas de oro, incorporándolos en los biofilms.

Al programar las células para producir diferentes tipos de fibras curly bajo ciertas condiciones, los científicos fueron capaces de controlar las propiedades de los biofilms y crear nanocables de oro, produciendo biopelículas, y películas salpicadas de puntos cuánticos o diminutos cristales que exhiben propiedades de mecánica cuántica. También diseñaron células para que pudieran comunicarse entre sí y cambiar la composición de la biopelícula con el tiempo.

En primer lugar, el equipo del MIT deshabilitó la capacidad natural de las células bacterianas de producir CsgA, luego la reemplazó con un circuito de ingeniería genética que produce CsgA A pero sólo bajo ciertas condiciones, específicamente, cuando una molécula llamada AHL está presente. Esto puso la producción de fibra curly en manos de los investigadores, que pueden ajustar la cantidad de AHL en el entorno de las células. Cuando AHL está presente, las células secretan CsgA, que forma fibras curly que se unen en un biofilm, recubriendo la superficie en la que las bacterias están creciendo.

Luego, los investigadores diseñaron células de 'E. Coli' para producir CsgA etiquetado con péptidos compuestos por grupos del aminoácido histidina, pero sólo cuando una molécula llamada ATC está presente. Los dos tipos de células modificadas por ingeniería se pueden cultivar juntas en una colonia, permitiendo a los expertos controlar la composición del material de la biopelícula variando las cantidades de AHL y ATC en el medio ambiente. Si ambos están presentes, la película contiene una mezcla de fibras etiquetadas y sin etiquetar. Si se añaden nanopartículas de oro, las etiquetas de histidina se agarran a ellos, creando filas de nanocables de oro y una red que conduce electricidad.

Los investigadores también demostraron que las células pueden coordinarse entre sí para controlar la composición de la biopelícula. Estos expertos diseñaron células que producen CsgA sin etiquetar y AHL, que a su vez estimulan a otras células para comenzar a producir CsgA etiquetada con histidina.

'Es un sistema muy sencillo, pero lo que sucede con el tiempo es que se conseigue curly que está cada vez más etiquetada con partículas de oro. Esto demuestra que, efectivamente, se puede hacer que las células se comuniquen entre sí y se puede cambiar la composición de la materia con el tiempo', explica Lu. 'En última instancia, esperamos emular cómo sistemas naturales, como el hueso, se forman', destaca.

Para añadir puntos cuánticos a las fibras curly, los investigadores diseñaron células que las producen junto con una etiqueta de péptido diferente, llamada SpyTag, que se une a los puntos cuánticos que están recubiertos con SpyCatcher, una proteína que es un socio de SpyTag. Estos materiales híbridos podrían ser clave para explorar su uso en aplicaciones de energía, como baterías y células solares, adelanta Lu.

Los investigadores están interesados en el recubrimiento de los biofilms con enzimas que catalizan la descomposición de la celulosa, lo cual podría ser útil para la conversión de residuos agrícolas para biocombustibles. Otras aplicaciones potenciales incluyen dispositivos de diagnóstico y andamios para la ingeniería de tejidos.