Os materiais vivos projetados prometem ajudar nos esforços de saúde humana, energia e remediação ambiental. Agora eles podem ser construídos grandes e personalizados com menos esforço.
Biocientistas e biólogos sintéticos da Rice University introduziram colônias de bactérias artificiais em escala centimétrica que se automontam de baixo para cima. Pode ser programado para absorver contaminantes do ambiente ou para catalisar reações biológicas, entre muitas aplicações possíveis.
A criação de materiais vivos de engenharia autônoma – ou ELMs – tem sido um objetivo da biocientista Caroline Ajo-Franklin desde muito antes de ingressar na Rice em 2019 com uma bolsa do Instituto de Pesquisa e Prevenção do Câncer do Texas (CPRIT).
“Estamos fazendo material a partir de bactérias que agem como massa de vidraceiro”, disse Ajo-Franklin. “Uma das coisas bonitas é como é fácil de fazer, precisando apenas de um pouco de movimento, alguns nutrientes e bactérias.”
Um estudo publicado esta semana na Natureza Comunicações detalha a criação do laboratório de ELMs flexíveis e adaptáveis usando Caulobacter crescentus como um bloco de construção biológico. Embora as próprias bactérias possam ser facilmente modificadas geneticamente para vários processos, projetá-las para se automontar tem sido um processo longo e complicado.
Envolveu a engenharia da bactéria para exibir e secretar a matriz de biopolímero que dá ao material sua forma. O C. crescentus já expressa uma proteína que cobre sua membrana externa como as escamas de uma cobra. Os pesquisadores modificaram a bactéria para expressar uma versão dessa proteína, que eles chamam de BUD (bottom-up de novo, como do zero), com características não só favoráveis à formação de ELMs (apelidados de BUD-ELMs) como também fornecem tags para futura funcionalização.
“Queríamos provar que é possível cultivar materiais a partir de células, como uma árvore cresce a partir de uma semente”, disse a principal autora do estudo, Sara Molinari, pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Ajo-Franklin, que obteve seu doutorado em Sistemas de Rice, Biologia Sintética e Física doutorado programa. “O aspecto transformador dos ELMs é que eles contêm células vivas que permitem que o material se auto-organize e se auto-repare em caso de danos. Além disso, eles podem ser projetados para executar funções não nativas, como o processamento dinâmico de estímulos externos. “
Molinari, que obteve seu Ph.D. no laboratório do biocientista de Rice, Matthew Bennett, disse que o BUD-ELM é o exemplo mais personalizável de um ELM macroscópico formado de forma autônoma. “Ele mostra uma combinação única de alto desempenho e sustentabilidade”, disse ela. “Graças à sua natureza modular, poderia servir como uma plataforma para gerar muitos materiais diferentes.”
Os ELMs crescem em um frasco em cerca de 24 horas, de acordo com os pesquisadores. Primeiro, uma película fina se forma na interface ar-água, semeando o material. A agitação constante do frasco estimula o crescimento do ELM. Uma vez que se expande para um tamanho suficiente, o material afunda e não cresce mais.
“Descobrimos que o processo de agitação influencia o tamanho do material que obtemos”, disse o co-autor Robert Tesoriero Jr., Ph.D. estudante em sistemas, biologia sintética e física. “Em parte, estamos procurando a faixa ideal de material que podemos obter em um frasco de cerca de 250 milímetros. Atualmente, ele tem o tamanho de uma unha.”
“Chegar à escala de centímetros com uma célula com menos de um mícron de tamanho significa que eles se organizam coletivamente em quatro ordens de magnitude, cerca de 10.000 vezes maiores que uma única célula”, acrescentou Molinari.
Ela disse que seus materiais funcionais são robustos o suficiente para sobreviver em uma jarra na prateleira por três semanas à temperatura ambiente, o que significa que podem ser transportados sem refrigeração.
O laboratório provou que o BUD-ELM pode remover com sucesso o cádmio de uma solução e foi capaz de realizar catálise biológica, reduzindo enzimaticamente um transportador de elétrons para oxidar a glicose.
Como os BUD-ELMs carregam tags para fixação, Ajo-Franklin disse que deve ser relativamente fácil modificá-los para aplicações ópticas, elétricas, mecânicas, térmicas, de transporte e catalíticas.
“Há muito espaço para brincar, o que eu acho que é a parte divertida”, disse Tesoriero.
“A outra grande questão é que, embora gostemos do Caulobacter crescentus, ele não é o garoto mais popular do quarteirão”, disse Ajo-Franklin. “A maioria das pessoas nunca ouviu falar disso. Portanto, estamos realmente interessados em saber se essas regras que descobrimos no Caulobacter podem ser aplicadas a outras bactérias.”
Ela disse que os ELMs podem ser especialmente úteis para remediação ambiental em ambientes com poucos recursos. C. crescentusis é ideal para isso, pois requer menos nutrientes para crescer do que muitas bactérias.
“Um dos meus sonhos é usar o material para remover metais pesados da água e, quando chegar ao fim de sua vida útil, retirar uma pequena parte e transformá-la em material novo no local”, disse Ajo-Franklin. “O fato de podermos fazer isso com o mínimo de recursos é realmente uma ideia convincente para mim.”
Os co-autores do artigo são a estudante de pós-graduação Swetha Sridhar, a pesquisadora de pós-doutorado Rong Cai e a gerente de laboratório Jayashree Soman de Rice, Kathleen Ryan da Universidade da Califórnia, Berkeley, e Dong Li e Paul Ashby do Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Califórnia . Ajo-Franklin é professor de biociências e CPRIT Scholar in Cancer Research.
A Defense Advanced Research Projects Agency, CPRIT (RR190063), o Office of Naval Research (N00014-21-1-2362) e o Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DE-AC02-05CH11231 ) apoiou a pesquisa.