Per la maggior parte delle persone i biofilm evocano immagini di pietre scivolose in un letto di torrenti e scarichi sporchi. Sebbene ci siano molti biofilm "cattivi" in giro - che causano persino fastidiosa placca dentale e una serie di altri problemi medici più seri - un team del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard vede i biofilm come una nuova solida piattaforma per i nanomateriali di design che potrebbe ripulire i fiumi inquinati, fabbricare prodotti farmaceutici, fabbricare nuovi tessuti, e altro ancora.

In breve, vogliono dare ai biofilm un lifting, e hanno sviluppato un nuovo sistema di ingegneria proteica chiamato BIND per farlo. Usando BIND, che sta per Biofilm-Integrated Nanofiber Display, il team ha affermato che i biofilm potrebbero essere le fonderie viventi di domani per la produzione su larga scala di biomateriali che possono essere programmati per fornire funzioni non possibili con i materiali esistenti. Hanno riportato il proof-of-concept in Comunicazioni sulla natura .

"La maggior parte della ricerca sui biofilm oggi si concentra su come sbarazzarsi dei biofilm, ma dimostriamo qui che possiamo progettare questi materiali naturali super resistenti per svolgere funzioni specifiche, quindi potremmo volerli in giro in quantità specifiche e per applicazioni specifiche, ", ha affermato Neel Joshi, membro della facoltà principale del Wyss Institute, dottorato di ricerca, l'autore senior dello studio. Joshi è anche professore associato di ingegneria chimica e biologica presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

I biofilm inoltre si autoassemblano e si autorigenerano. "Se si danneggiano, ricrescono subito perché sono tessuti vivi, " ha detto l'autore principale Peter Nguyen, dottorato di ricerca, un Postdoctoral Fellow presso il Wyss Institute e l'Harvard SEAS.

I biofilm sono comunità di batteri sistemate in un ambiente viscido, ma estremamente duro, matrice di materiale extracellulare composta da zuccheri, proteine, materiale genetico e altro. Durante la formazione del biofilm, i singoli batteri pompano fuori proteine ​​che si autoassemblano all'esterno della cellula, creando reti di fibre aggrovigliate che essenzialmente incollano le cellule insieme in comunità che mantengono i batteri più sicuri di quanto non sarebbero da soli.

L'interesse per l'ingegneria dei biofilm è alle stelle, e mentre diversi altri team hanno recentemente sviluppato strumenti genetici per controllare la formazione di biofilm, Il team di Joshi ha alterato la composizione del materiale extracellulare stesso, trasformandolo essenzialmente in una piattaforma di produzione autoreplicante per sfornare qualsiasi materiale desiderino produrre.

"Fino a poco tempo fa non c'era abbastanza cooperazione tra biologi sintetici e ricercatori di biomateriali per sfruttare il potenziale sintetico dei biofilm in questo modo. Stiamo cercando di colmare questo divario, " ha detto Joshi.

Il team ha fuso geneticamente una proteina con una particolare funzione desiderata, ad esempio uno noto per aderire all'acciaio - su una piccola proteina chiamata CsgA che è già prodotta da E. coli batteri. Il dominio aggiunto ha quindi seguito il processo naturale mediante il quale CsgA viene secreto all'esterno della cellula, dove si autoassemblava in proteine ​​super resistenti chiamate nanofibre amiloidi. Queste proteine ​​amiloidi hanno mantenuto la funzionalità della proteina aggiunta, assicurando in questo caso che il biofilm aderisse all'acciaio.

Le proteine ​​amiloidi tradizionalmente subiscono una cattiva reputazione per il loro ruolo nel causare enormi sfide per la salute come il morbo di Alzheimer, ma in questo caso il loro ruolo è fondamentale per rendere BIND così robusto. Questi amiloidi possono assemblarsi spontaneamente in fibre che, a peso, sono più forti dell'acciaio e più rigidi della seta.

"Siamo entusiasti della versatilità del metodo, pure, " ha detto Joshi. Il team ha dimostrato la capacità di fondere 12 proteine ​​diverse con la proteina CsgA, con sequenze e lunghezze molto variabili. Ciò significa in linea di principio che possono utilizzare questa tecnologia per visualizzare praticamente qualsiasi sequenza proteica - una caratteristica significativa perché le proteine ​​​​svolgono una serie di funzioni impressionanti dal legame a particelle estranee all'esecuzione di reazioni chimiche, trasmettere segnali, fornendo supporto strutturale, e trasportare o immagazzinare determinate molecole.

Non solo queste funzioni possono essere programmate nel biofilm una alla volta, ma possono anche essere combinati per creare biofilm multifunzionali.

Il concetto di fabbrica microbica non è nuovo, ma per la prima volta viene applicato ai materiali, al contrario di molecole solubili come farmaci o combustibili. "Stiamo essenzialmente programmando le celle in modo che siano impianti di fabbricazione, " ha detto Joshi. "Non producono solo una materia prima come elemento costitutivo, orchestrano l'assemblaggio di quei blocchi in strutture di ordine superiore e mantengono tale struttura nel tempo".

"Il lavoro fondamentale che Neel e il suo team stanno facendo con i biofilm offre uno sguardo su un futuro molto più sostenibile dal punto di vista ambientale in cui le fabbriche gigantesche sono ridotte alle dimensioni di una cellula che possiamo programmare per produrre nuovi materiali che soddisfano le nostre esigenze quotidiane, dai tessuti ai risanamento energetico e ambientale, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute Don Ingber, M.D., dottorato di ricerca

Per ora il team ha dimostrato di saper programmare E. coli biofilm che si attaccano a determinati substrati, come l'acciaio, altri che possono immobilizzare una serie di proteine ​​o promuovere la modellatura dell'argento per la costruzione di nanofili.