Quando l'interno di un guscio di mollusco brilla alla luce del sole, l'iridescenza non è prodotta da pigmenti colorati ma da minuscole strutture fisiche autoassemblate da cellule viventi e componenti inorganici. Ora, un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia ha sviluppato una piattaforma per imitare questa capacità di autoassemblaggio progettando cellule viventi che fungano da punto di partenza per la costruzione di materiali compositi.

I materiali viventi ingegnerizzati (ELM) utilizzano le cellule viventi come "impalcature di materiali" e sono una nuova classe di materiali che potrebbe aprire la porta a materiali autorigeneranti e altre applicazioni avanzate in bioelettronica, biorilevamento, e materiali intelligenti. Tali materiali potrebbero imitare le proprietà emergenti che si trovano in natura, dove un sistema complesso ha proprietà che i singoli componenti non hanno, come l'iridescenza o la forza.

Prendendo in prestito da questa complessità vista in natura, i ricercatori del Berkeley Lab hanno progettato un batterio in grado di attaccare un'ampia gamma di nanomateriali alla sua superficie cellulare. Possono anche controllare con precisione il trucco e la densità dei componenti, creando un materiale vivente ibrido stabile. Lo studio che descrive il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Biologia sintetica ACS .

"Poiché l'ordinamento gerarchico è alla base delle proprietà di molti materiali biocompositi, essere in grado di regolare la spaziatura di diversi componenti in più dimensioni è la chiave per progettare ELM prevedibili, " ha detto Caroline Ajo-Franklin, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry di Berkeley Lab che ha guidato lo studio. "La nostra nuova piattaforma offre un punto di partenza versatile che apre un'ampia gamma di nuove possibilità per la costruzione di ELM".

Sia le strutture naturali che gli ELM che ispirano sono costituiti da modelli gerarchici di materiali. Ciò significa che per un materiale costituito da blocchi di dimensioni regolari, ogni blocco grande è fatto di blocchi più piccoli, e ciascuno dei blocchi più piccoli è fatto di pezzi ancora più piccoli. Per esempio, i molluschi costruiscono i loro gusci con "piastrine" supersottili spesse appena 500 nanometri, e ogni piastrina è composta da milioni di minuscoli nanograni con un diametro di appena 30 nanometri.

Per controllare l'autoassemblaggio di questi tipi di strutture sulla superficie delle cellule viventi, Ajo-Franklin e il suo team hanno sfruttato le proteine ​​dello strato superficiale (S-Layer) per formare ordinate, strutture simili a fogli sulla superficie di molti microbi. "È la differenza tra costruire una fondazione da un foglio solido che si conforma alla superficie della cella rispetto a un insieme non ordinato di corde, " disse Ajo-Franklin, che ricopre anche un incarico congiunto nella divisione di biofisica molecolare e bioimmagine integrata del Berkeley Lab nell'area delle bioscienze.

I ricercatori hanno scelto il batterio Caulobacter crescentus poiché può sopravvivere a condizioni di scarsità di nutrienti e di ossigeno, e la sua proteina S-Layer, RSAA, perché è molto ben studiato. Il team ha progettato RsaA con un sistema biologico "lock and key" per controllare con precisione dove e con quale densità i materiali si attaccano alla superficie cellulare.

"Abbiamo costruito una serie di batteri in grado di attaccare in modo irreversibile una varietà di materiali duri o morbidi come biopolimeri o nanoparticelle semiconduttrici alla superficie cellulare senza danneggiare le cellule, " disse Marimikel Charrier, associato di ingegneria scientifica e autore principale dello studio. "Questo kit di costruzione vivente è un primo passo fondamentale verso la creazione di autoassemblanti, autoguarigione, biomateriali ibridi".