Biólogos del área de ingeniería genética del MIT diseñan materiales vivos capaces de construir a nivel nano

Los organismos vivos son maestros constructores. Los cangrejos crean sus caparazones, los corales construyen arrecifes, los moluscos se «visten» de intrincadas «casas» y nuestros tejidos construyen por sí mismos la estructura que sostiene nuestros cuerpos: el esqueleto. Ahora los investigadores han inducido a células bacterianas a producir biopelículas que pueden incorporar materiales no vivos, como nanopartículas de oro y puntos cuánticos

Inspirados en materiales naturales como el hueso, una mezcla de minerales y otras sustancias, incluidas las células vivas, los ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, han inducido células bacterianas a producir biofilms o biopelículas (comunidades de microorganismos que crecen adheridos a una superficie inerte o un tejido vivo) que pueden incorporar materiales no vivos, como nanopartículas de oro y puntos cuánticos.

Estos «materiales vivos» combinan las ventajas de las células vivas, que responden a su entorno, producen moléculas biológicas complejas y abarcan múltiples escalas de longitud, con las ventajas de los materiales no vivos, que añaden funciones tales como generar electricidad o emitir luz, tal y como se describe en la edición de este domingo de Nature Materials.

Los nuevos materiales representan una sencilla demostración del poder de esta idea, que algún día podría usarse para diseñar dispositivos más complejos como células solares, materiales autoreparables o sensores de diagnóstico, afirma el autor principal del artículo, Timothy Lu, profesor asistente de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Biológica.

«Nuestra idea es poner al mundo vivo y no vivo juntos para hacer materiales híbridos que tengan células vivas en ellos y sean funcionales», destaca Lu. «Es una manera interesante de pensar acerca de la síntesis de materiales, algo muy diferente de lo que se hace ahora, que es generalmente un enfoque de arriba hacia abajo», agrega.

Lu y sus colegas eligieron trabajar con la bacteria E. Coli porque produce naturalmente biopelículas que contienen las llamadas «fibras curli«, proteínas amiloides que ayudan a E. Coli a adherirse a las superficies. Cada fibra curli está compuesta de una cadena de subunidades repetidas de proteínas idénticas llamadas CsgA, que pueden ser modificada mediante la adición de fragmentos de proteína llamados péptidos. Estos péptidos pueden capturar materiales no vivos, como nanopartículas de oro, e incorporarlos en los biofilms.

Al programar las células para producir diferentes tipos de fibras curli bajo ciertas condiciones, los científicos fueron capaces de controlar las propiedades de los biofilms y crear nanocables de oro, produciendo biopelículas y películas salpicadas de puntos cuánticos, diminutos cristales que exhiben propiedades cuánticas. También diseñaron células para que pudieran comunicarse entre sí y cambiar la composición de la biopelícula con el tiempo.

En primer lugar, el equipo del MIT deshabilitó la capacidad natural de las células bacterianas de producir CsgA, luego reemplazó ésta con un circuito de ingeniería genética que produce CsgA pero sólo bajo ciertas condiciones, específicamente, cuando está presente una molécula llamada AHL. Esto colocó la producción de fibra curli bajo control de los investigadores, que pueden ajustar la cantidad de AHL en el entorno de las células. Cuando está presente la AHL, las células secretan CsgA, que forma fibras curli que se unen en un biofilm, recubriendo la superficie en la que las bacterias están creciendo.

Luego, los investigadores diseñaron células de E. Coli capaces de producir CsgA etiquetada con péptidos compuestos por grupos del aminoácido histidina, pero sólo cuando está presente una molécula disparadora llamada aTc. Los dos tipos de células modificadas por ingeniería se pueden cultivarse juntas en una colonia, permitiendo a los expertos controlar la composición del material de la biopelícula variando las cantidades de AHL y aTc en el medio ambiente. Si ambos están presentes , la película contiene una mezcla de fibras etiquetadas y sin etiquetar. Si se añaden nanopartículas de oro, las etiquetas de histidina se agarran a ellas, creando filas de nanocables de oro y una red que conduce electricidad.

Los investigadores también demostraron que las células pueden coordinarse entre sí para controlar la composición de la biopelícula. Estos expertos diseñaron células que producen CsgA sin etiquetar y AHL, que a su vez estimulan a otras células a comenzar a producir CsgA etiquetada con histidina.

«Es un sistema muy sencillo, pero lo que sucede con el tiempo es que se obtienen [fibras] curli que están cada vez más etiquetadas con partículas de oro. Esto demuestra que, efectivamente, se puede hacer que las células se comuniquen entre sí y se puede cambiar la composición del material con el tiempo», explica Lu. «En última instancia, esperamos emular cómo se forman los sistemas naturales, como el hueso», destaca.

 

 

Para añadir puntos cuánticos a las fibras curli, los investigadores diseñaron células que las producen junto con una etiqueta diferente de péptido, llamada SpyTag, que se une a los puntos cuánticos que están recubiertos con SpyCatcher, una proteína que está asociada a SpyTag. Estos materiales híbridos podrían ser clave para explorar su uso en aplicaciones de energía, como baterías y células solares, adelanta Lu.

Los investigadores están interesados en el recubrimiento de los biofilms con enzimas que catalizan la descomposición de la celulosa, lo cual podría ser útil para la conversión de residuos agrícolas para biocombustibles. Otras aplicaciones potenciales incluyen dispositivos de diagnóstico y andamios de sostén para la ingeniería de tejidos.

Fuente: MIT, Nature y otros sitios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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