Inspirados por materiales naturales, como los huesos, una matriz de minerales y otras sustancias, incluidas las células vivas, los ingenieros del MIT han inducido células bacterianas para producir biopelículas que pueden incorporar materiales no vivos, con nanopartículas de oro y puntos cuánticos.
Estos “materiales vivos” combinan las ventajas de las células vivas, las que responden a su entorno, producen moléculas biológicas complejas, y abarcan escalas de múltiples longitudes, con las ventajas de los materiales no vivos, que añaden funciones como la realización de la electricidad o de emisión de luz .
Los nuevos materiales representan una simple demostración de la potencia de este enfoque, que algún día podrá ser usado para diseñar dispositivos más complejos, entre ellos las células solares, materiales de auto-reparación o sensores de diagnóstico, dice Timothy Lu, profesor asistente de ingeniería eléctrica y biológica. Lu es el autor principal del artículo de 23 de marzo en Nature Materials, donde describe los materiales vivos funcionales.
“Nuestra idea es poner juntos lo vivo y lo no vivo para confeccionar materiales híbridos que tengan células vivas y sean funcionales”, explica Lu. “Es una manera interesante de pensar acerca de la síntesis de materiales, lo que se hace ahora es muy diferente, generalmente supone un enfoque de arriba hacia abajo.”
El autor principal del artículo es Allen Chen, estudiante de doctorado en medicina en MIT- Harvard. Otros autores, investigadores posdoctorales, son Zhengtao Deng, Amanda Billings, Urartu Seker y Bijan Zakeri, además del recientemente graduado en el MIT, Michelle Lu, y el estudiante graduado Robert Citorik.
Materiales de auto-montaje
Lu y sus colegas eligieron trabajar con la bacteria E. coli, ya que produce naturalmente biopelículas que contienen las así llamados “fibras rizadas”, proteínas amiloides que ayudan a la E. coli a adherirse a las superficies. Cada fibra rizada está hecha de una cadena repetitiva de subunidades de proteínas idénticas, llamadas CsgA, las cuales pueden ser modificadas mediante la adición de otros fragmentos proteínicos llamados péptidos. Dichos péptidos pueden capturar materiales no vivos como las nanopartículas de oro, incorporándolas en las biopelículas.
Se programan las células para producir diferentes tipos de fibras rizadas bajo ciertas condiciones, así los investigadores fueron capaces de controlar las propiedades de estas biopelículas y crear nanocables de oro, componiendo las biopelículas y salpicándolas de puntos cuánticos (diminutos cristales que exhiben propiedades de mecánica cuántica). También diseñaron las células para que pudieran comunicarse entre sí y cambiar la composición de la biopelícula en el tiempo.
En primer lugar, el equipo del MIT deshabilitó la capacidad natural de las células bacterianas de producir CsgA, luego lo sustituyó con un circuito de ingeniería genética que produce CsgA, pero sólo bajo ciertas condiciones, en concreto cuando una molécula llamada AHL está presente. Esto dispone el control de la producción de fibra rizada en manos de los investigadores, que pueden ajustar la cantidad de AHL en el medio ambiente de las células. Cuando la AHL está presente, las células secretan CsgA, que forman fibras rizadas que se fusionan con la biopelícula, cubriendo la superficie donde crecen las bacterias..
Entonces, los investigadores diseñaron células de E. coli para producir CsgA, etiquetado con péptidos compuestos por grupos del aminoácido histidina, pero sólo cuando la molécula llamada aTc estuviera presente. Los dos tipos de células diseñadas se pueden cultivar juntas en una colonia, permitiendo a los investigadores controlar la composición del material de la biopelícula a través de la variación de las cantidades de AHL y aTc en el medio ambiente. Si ambas están presentes, la película contiene una mezcla de fibras etiquetadas y sin etiquetar. Si se añaden nanopartículas de oro en el medio ambiente, las etiquetas de histidina se aferra a ellas, creando filas de nanocables de oro, y una red conductora de electricidad.
‘Las células que hablan entre sí’
Los investigadores también demostraron que las células pueden coordinarse entre sí a fin de controlar la composición de la biopelícula. Diseñaron células que producen CsgA sin etiquetar y también de AHL, lo que a su vez estimula a otras células a comenzar a producir CsgA de histidina etiquetada.
“Es un sistema muy sencillo, con el tiempo el rizado se incrementa cada vez más el marcado por las partículas de oro. Esto demuestra que, efectivamente, se puede hacer que las células se comuniquen entre sí y cambiar la composición de la materia a través del tiempo”, subraya Lu. “En última instancia, esperamos emular cómo se forman los sistemas naturales, como el hueso. Nadie sabe cómo lo hacen los huesos, pero generan su material en respuesta a señales del medio ambiente.”
Al añadir puntos cuánticos a las fibras rizadas, los investigadores diseñaron células capaces de producir las junto con un etiquetado diferente de péptido, el llamado SpyTag, el cual se une a los puntos cuánticos que están recubiertos con SpyCatcher (una proteína pareja de SpyTag). Estas células pueden ser cultivadas junto con bacterias que producen fibras etiquetadas de histidina, de lo que resulta un material que contiene tanto puntos cuánticos como nanopartículas de oro .
Vale la pena explorar estos materiales híbridos para su uso en aplicaciones de energía, como baterías y células solares, dice Lu. Los investigadores están interesados en el recubrimiento de las biopelículas con enzimas que catalizan la descomposición de la celulosa, y esto podría ser útil para la conversión de residuos agrícolas en biocombustibles. Otras aplicaciones potenciales incluyen dispositivos de diagnóstico y el necesario andamiaje para la ingeniería de tejidos .
“Creo que lo realmente fantástico de este trabajo es que representa una gran integración de la biología sintética y la ingeniería de materiales”, comentaba Lingchong You, profesor asociado de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke, que no formó parte del equipo de investigación.
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