I materiali viventi ingegnerizzati promettono di aiutare gli sforzi nella salute umana, nell'energia e nel risanamento ambientale. Ora possono essere costruiti in grandi dimensioni e personalizzati con meno sforzo.

I bioscienziati della Rice University hanno introdotto colonie di batteri ingegnerizzati simili a melma su scala centimetrica che si autoassemblano dal basso verso l'alto. Possono essere programmati per assorbire i contaminanti dall'ambiente o per catalizzare reazioni biologiche, tra le molte possibili applicazioni.

La creazione di materiali viventi ingegnerizzati autonomi, o ELM, è stato un obiettivo della bioscienziata Caroline Ajo-Franklin da molto prima che entrasse a far parte della Rice nel 2019.

"Stiamo facendo materiale da batteri che si comportano come mastice", ha detto Ajo-Franklin. "Una delle cose belle è quanto sia facile da preparare, richiede solo un po' di movimento, alcuni nutrienti e batteri."

Uno studio pubblicato questa settimana su Nature Communications descrive in dettaglio la creazione da parte del laboratorio di ELM flessibili e adattabili utilizzando Caulobacter crescentus come elemento costitutivo biologico. Sebbene i batteri stessi possano essere facilmente modificati geneticamente per vari processi, progettarli per autoassemblarsi è stato un processo lungo e complicato.

Si trattava di ingegnerizzare i batteri per mostrare e secernere la matrice di biopolimero che dà al materiale la sua forma. C. crescentus esprime già una proteina che ricopre la sua membrana esterna come le squame di un serpente. I ricercatori hanno modificato i batteri per esprimere una versione di quella proteina, che chiamano BUD (dal basso verso l'alto de novo, come da zero), con caratteristiche non solo favorevoli alla formazione di ELM (soprannominati BUD-ELMs) ma che forniscono anche tag per futura funzionalizzazione.

Volevamo dimostrare che è possibile far crescere materiali dalle cellule, come un albero cresce da un seme", ha affermato Sara Molinari, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Ajo-Franklin e autrice principale dello studio. "L'aspetto trasformativo degli ELM è che contengano cellule viventi che consentono al materiale di autoassemblarsi e autoripararsi in caso di danneggiamento. Inoltre, possono essere ulteriormente ingegnerizzati per svolgere funzioni non native, come l'elaborazione dinamica di stimoli esterni."

Molinari, che ha conseguito il dottorato alla Rice nel laboratorio del bioscienziato Matthew Bennett, ha affermato che BUD-ELM è l'esempio più personalizzabile di un ELM macroscopico formato autonomamente. "Mostra una combinazione unica di prestazioni elevate e sostenibilità", ha affermato. "Grazie alla sua natura modulare, potrebbe fungere da piattaforma per generare molti materiali diversi."

Gli ELM crescono in un pallone in circa 24 ore, secondo i ricercatori. In primo luogo, si forma una pelle sottile all'interfaccia aria-acqua, seminando il materiale. L'agitazione costante del pallone incoraggia la crescita dell'ELM. Una volta che si espande a una dimensione sufficiente, il materiale affonda sul fondo e non cresce ulteriormente.

"Abbiamo scoperto che il processo di scuotimento influenza la grandezza di un materiale che otteniamo", ha affermato il coautore e dottorando Robert Tesoriero Jr. "In parte, stiamo cercando la gamma ottimale di materiale che possiamo ottenere in un pallone di circa 250 millimetri . Attualmente ha le dimensioni di un'unghia."

"Arrivare a una scala centimetrica con una cella di dimensioni inferiori a un micron significa che si organizzano collettivamente su quattro ordini di grandezza, circa 10.000 volte più grande di una singola cella", ha aggiunto Molinari.

Ha detto che i loro materiali funzionali sono abbastanza robusti da sopravvivere in un barattolo sullo scaffale per tre settimane a temperatura ambiente, il che significa che possono essere trasportati senza refrigerazione.

Il laboratorio ha dimostrato che il BUD-ELM può rimuovere con successo il cadmio da una soluzione ed è in grado di eseguire la catalisi biologica, riducendo enzimaticamente un vettore di elettroni per ossidare il glucosio.

Poiché i BUD-ELM sono dotati di tag per il fissaggio, Ajo-Franklin ha affermato che dovrebbe essere relativamente facile modificarli per applicazioni ottiche, elettriche, meccaniche, termiche, di trasporto e catalitiche.

"C'è molto spazio per giocare, che penso sia la parte divertente", ha detto Tesoriero.

"L'altra grande domanda è che mentre amiamo Caulobacter crescentus, non è il ragazzo più popolare del quartiere", ha detto Ajo-Franklin. "La maggior parte delle persone non ne ha mai sentito parlare. Quindi siamo davvero interessati a sapere se queste regole che abbiamo scoperto nel Caulobacter possono essere applicate ad altri batteri".

Ha affermato che gli ELM potrebbero essere particolarmente utili per il risanamento ambientale in contesti con risorse limitate. C. crescentus è l'ideale per questo in quanto richiede meno nutrienti per crescere rispetto a molti batteri.

"Uno dei miei sogni è usare il materiale per rimuovere i metalli pesanti dall'acqua, e poi quando raggiunge la fine della sua vita, staccarne una piccola parte e farla crescere sul posto in materiale fresco", ha detto Ajo-Franklin. "Il fatto che potessimo farlo con risorse minime è davvero un'idea convincente per me."

I coautori dell'articolo sono la studentessa laureata Swetha Sridhar, il ricercatore post-dottorato Rong Cai e il responsabile del laboratorio Jayashree Soman of Rice, Kathleen Ryan dell'Università della California, Berkeley, e Dong Li e Paul Ashby del Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California . Ajo-Franklin è professore di bioscienze e borsista CPRIT in ricerca sul cancro. + Esplora ulteriormente

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