Cientistas da Universidade de Massachusetts Amherst anunciaram recentemente a invenção de um nanofio, 10.000 vezes mais fino que um cabelo humano, que pode ser cultivado de forma barata por bactérias comuns e pode ser ajustado para “cheirar” uma vasta gama de marcadores químicos – incluindo aqueles fornecidos por pessoas que sofrem de diferentes condições médicas, como asma e doença renal. Milhares desses fios especialmente sintonizados, cada um cheirando um produto químico diferente, podem ser colocados em minúsculos sensores vestíveis, permitindo aos profissionais de saúde uma ferramenta sem precedentes para monitorar possíveis complicações de saúde. Como esses fios são cultivados por bactérias, eles são orgânicos, biodegradáveis e muito mais ecológicos do que qualquer nanofio inorgânico.
Para fazer essas descobertas, que foram detalhadas na revista Biossensores e Bioeletricidade, os autores seniores Derek Lovley, Distinguished Professor de Microbiologia na UMass Amherst, e Jun Yao, professor de engenharia elétrica e de computação na Faculdade de Engenharia da UMass Amherst, não precisavam olhar além de seus próprios narizes. “O nariz humano tem centenas de receptores, cada um sensível a uma molécula específica”, diz Yao. “Eles são muito mais sensíveis e eficientes do que qualquer dispositivo mecânico ou químico que possa ser projetado. Nós nos perguntamos como poderíamos alavancar o próprio design biológico em vez de depender de um material sintético.”
Em outras palavras, a equipe se perguntou se eles poderiam trabalhar com a natureza para farejar doenças – e acabou que eles fizeram exatamente isso.
A resposta começa com uma bactéria conhecida como Geobacter sulfurreducensque Lovley e Yao usaram anteriormente para criar um biofilme capaz de produzir eletricidade contínua e de longo prazo a partir do suor. G. sulfurreducens‘ tem a surpreendente capacidade natural de crescer minúsculos nanofios eletricamente condutores.
Mas G. sulfurreducens é uma bactéria meticulosa que precisa de condições específicas para crescer, dificultando seu uso em escala. “O que fizemos”, diz Lovley, “foi retirar o ‘gene do nanofio’ – chamado pilin – de G. sulfurreducens e inseri-lo no DNA de Escherichia coliuma das bactérias mais difundidas no mundo.”
Uma vez que o gene da pilina foi removido do G. sulfurreducens, Lovley, Yao e sua equipe o modificaram para incluir um peptídeo específico, conhecido como DLESFL, que é extremamente sensível à amônia – uma substância química freqüentemente presente na respiração de pessoas com doença renal. Quando então juntaram o gene pilina modificado em E. coliDe DNA, a bactéria geneticamente ajustada brotou nanofios minúsculos eriçados com o peptídeo sensor de amônia. A equipe então colheu esses nanofios sensíveis à amônia e os transformou em um sensor.
“Modificar geneticamente os nanofios os tornou 100 vezes mais responsivos à amônia do que eram originalmente”, diz Yassir Lekbach, co-autor principal do artigo e pesquisador de pós-doutorado em microbiologia na UMass Amherst. “Os nanofios produzidos por micróbios funcionam muito melhor como sensores do que os sensores descritos anteriormente, fabricados com nanofios tradicionais de silício ou metal”.
E não há necessidade de limitar esses novos sensores apenas para amônia e doenças renais. Toshiyuki Ueki, outro co-autor principal do artigo e professor de pesquisa em microbiologia na UMass Amherst, diz que “é possível projetar peptídeos únicos, cada um dos quais se liga especificamente a uma molécula de interesse. Assim, como mais moléculas traçadoras, emitidas pelo corpo e que são específicos para uma determinada doença são identificados, podemos fazer sensores que incorporam centenas de diferentes nanofios de detecção de produtos químicos para monitorar todos os tipos de condições de saúde.”
Um novo paradigma para a engenharia elétrica
Os nanofios tradicionais, feitos de silício ou fibra de carbono, podem ser altamente tóxicos – os nanotubos de carbono são cancerígenos – e acabam como lixo eletrônico não biodegradável. Suas matérias-primas podem exigir enormes quantidades de energia e insumos químicos para serem colhidas e processadas, além de causar um profundo impacto ambiental. Mas como os nanofios de Lovley e Yao são cultivados a partir de bactérias comuns, eles são muito mais sustentáveis.
“Uma das coisas mais empolgantes sobre essa linha de pesquisa”, diz Yao, “é que estamos levando a engenharia elétrica a uma direção fundamentalmente nova. Em vez de fios feitos de recursos brutos escassos que não se biodegradam, a beleza desses nanofios de proteína é que você pode usar o design genético da vida para construir uma plataforma estável, versátil, de baixo impacto e econômica.”
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e alimentada pelo Institute for Applied Life Sciences (IALS) da UMass Amherst, que combina conhecimento profundo e interdisciplinar de 29 departamentos para traduzir pesquisas fundamentais em inovações que beneficiam a saúde e o bem-estar humanos.