I ricercatori della Duke University hanno trasformato i batteri in costruttori di dispositivi utili programmandoli con un circuito genetico sintetico.

Quando una colonia batterica assume la forma di un emisfero, il circuito genico innesca la produzione di un tipo di proteina da distribuire all'interno della colonia in grado di reclutare materiali inorganici. Quando viene fornito con nanoparticelle d'oro dai ricercatori, il sistema forma un guscio dorato attorno alla colonia batterica, le cui dimensioni e forma possono essere controllate alterando l'ambiente di crescita.

Il risultato è un dispositivo che può essere utilizzato come sensore di pressione, dimostrando che il processo può creare dispositivi funzionanti.

Mentre altri esperimenti hanno coltivato con successo materiali utilizzando processi batterici, si sono affidati interamente al controllo esterno del luogo in cui crescono i batteri e sono stati limitati a due dimensioni. Nel nuovo studio, i ricercatori della Duke dimostrano la produzione di una struttura composita programmando le cellule stesse e controllando il loro accesso ai nutrienti, ma lasciando comunque i batteri liberi di crescere in tre dimensioni.

Lo studio appare online il 9 ottobre in Biotecnologie naturali .

"Questa tecnologia ci permette di far crescere un dispositivo funzionale da una singola cella, " ha detto Lingchong You, il Paul Ruffin Scarborough Professore Associato di Ingegneria alla Duke. "Fondamentalmente, non è diverso dal programmare una cellula per far crescere un intero albero."

La natura è piena di esempi di vita che combinano composti organici e inorganici per creare materiali migliori. I molluschi coltivano gusci costituiti da carbonato di calcio intrecciato con una piccola quantità di componenti organici, risultando in una microstruttura tre volte più dura del solo carbonato di calcio. Le nostre ossa sono un mix di collagene organico e minerali inorganici costituiti da vari sali.

Sfruttare tali capacità di costruzione nei batteri avrebbe molti vantaggi rispetto agli attuali processi di produzione. In natura, la fabbricazione biologica utilizza materie prime ed energia in modo molto efficiente. In questo sistema sintetico, Per esempio, modificare le istruzioni di crescita per creare forme e modelli diversi potrebbe teoricamente essere molto più economico e veloce rispetto alla fusione dei nuovi stampi o stampi necessari per la produzione tradizionale.

"La natura è maestra nel fabbricare materiali strutturati costituiti da componenti viventi e non viventi, " hai detto Tu. "Ma è straordinariamente difficile programmare la natura per creare modelli auto-organizzati. Questo lavoro, però, è una prova di principio che non è impossibile."

Il circuito genetico è come un pacchetto biologico di istruzioni che i ricercatori incorporano nel DNA di un batterio. Le istruzioni prima dicono ai batteri di produrre una proteina chiamata T7 RNA polimerasi (T7RNAP), che poi attiva la propria espressione in un ciclo di feedback positivo. Produce anche una piccola molecola chiamata AHL che può diffondersi nell'ambiente come un messaggero.

Man mano che le cellule si moltiplicano e crescono verso l'esterno, la concentrazione della piccola molecola messaggera raggiunge una soglia di concentrazione critica, innescando la produzione di altre due proteine ​​chiamate lisozima T7 e curli. Il primo inibisce la produzione di T7RNAP mentre il secondo agisce come una sorta di velcro biologico che può attaccarsi a composti inorganici.

L'interazione dinamica di questi circuiti di feedback fa sì che la colonia batterica cresca in uno schema a forma di cupola fino a quando non esaurisce il cibo. Inoltre fa sì che i batteri all'esterno della cupola producano il velcro biologico, che si aggrappa alle nanoparticelle d'oro fornite dai ricercatori, formando un guscio delle dimensioni della tua lentiggine media.

I ricercatori sono stati in grado di alterare le dimensioni e la forma della cupola controllando le proprietà della membrana porosa su cui cresce. Per esempio, cambiando la dimensione dei pori o quanto la membrana respinge l'acqua influisce su quanti nutrienti vengono passati alle cellule, alterando il loro modello di crescita.

"Stiamo dimostrando un modo per fabbricare una struttura 3D basata interamente sul principio dell'auto-organizzazione, " ha detto Stefan Zauscher, il professore della famiglia Sternberg di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke. "Quella struttura 3D viene quindi utilizzata come un'impalcatura per generare un dispositivo con proprietà fisiche ben definite. Questo approccio è ispirato dalla natura, e poiché la natura non fa questo da sola, abbiamo manipolato la natura per farlo per noi."

Per mostrare come il loro sistema potrebbe essere utilizzato per fabbricare dispositivi funzionanti, i ricercatori hanno utilizzato queste strutture ibride organiche/inorganiche come sensori di pressione. Schiere identiche di cupole sono state coltivate su due superfici di substrato. I due substrati sono stati quindi inseriti a sandwich insieme in modo che ciascuna cupola fosse posizionata direttamente di fronte alla sua controparte sull'altro substrato.

Ogni cupola è stata poi collegata a una lampadina a LED tramite cavi in ​​rame. Quando la pressione è stata applicata al sandwich, le cupole schiacciate l'una nell'altra, provocando una deformazione con conseguente aumento della sua conduttività. Questo, a sua volta, ha fatto sì che le corrispondenti lampadine a LED si illuminassero di una certa quantità a seconda della quantità di pressione applicata.

"In questo esperimento ci concentriamo principalmente sui sensori di pressione, ma il numero di direzioni in cui questo potrebbe essere preso è vasto, " disse Will (Yangxiaolu) Cao, un associato post-dottorato nel laboratorio di You e primo autore dell'articolo. "Potremmo usare materiali biologicamente reattivi per creare circuiti viventi. O se potessimo mantenere in vita i batteri, potresti immaginare di creare materiali in grado di guarire se stessi e rispondere ai cambiamenti ambientali."

"Un altro aspetto che ci interessa perseguire è come generare modelli molto più complessi, " hai detto. "I batteri possono creare schemi di ramificazione complessi, semplicemente non sappiamo come farglielo fare da soli, ancora."