Un team di ingegneri del MIT progetta materiali viventi

Gli ingegneri del MIT, ispirati da materiali naturali come le ossa, una matrice di minerali e altre sostanze, tra cui le cellule viventi, hanno indotto cellule batteriche a produrre biofilm che possono incorporare materiali non viventi, come le nanoparticelle di oro e punti quantici.

Questi "materiali viventi" uniscono i vantaggi delle cellule vive, che rispondono al loro ambiente, producono molecole biologiche complesse, e si estendono su più scale di lunghezza, con i benefici di materiali non viventi, che aggiungono funzioni come quelle di condurre elettricità o di emettere luce.

I nuovi materiali rappresentano una semplice dimostrazione della potenza di questo approccio, che potrebbe un giorno essere usato per progettare dispositivi più complessi come celle solari, materiali in grado di autoguarirsi, o sensori diagnostici, dice Timothy Lu, assistente professore di ingegneria elettrica e biologica. Lu è l'autore principale dell'articolo che descrive questi nuovi materiali viventi nel nuovo numero della rivista Nature Materials .

"La nostra idea è quella di mettere ilmondo vivente e quello non vivente insieme per fare materiali ibridi che contengano cellule viventi e siano funzionali", spiega Lu. "E' un modo interessante di pensare la sintesi di materiali, molto diverso da quello che le persone fanno oggi, che di solito è un approccio alla rovescia".


Materiali autoassemblanti

Lu e i suoi colleghi hanno scelto di lavorare con il batterio E. coli perché produce naturalmente biofilm che contengono le cosiddette "curli-fibers", proteine amiloidi che aiutano E. coli ad attaccarsi alle superfici. Ognuna di queste "curli-fibers" è costituita da una catena ripetuta di subunità proteiche identiche chiamate CsgA, che può essere modificata aggiungendo frammenti di proteine ​​chiamati peptidi. Questi peptidi sono in grado di catturare i materiali non viventi come le nano particelle d'oro, incorporandole nei biofilm.

Programmando le cellule a produrre diversi tipi di "curli-fibers" a determinate condizioni, i ricercatori sono stati in grado di controllare le proprietà dei biofilm e creare nanofili d'oro, biofilm conduttivi o costellati di punti quantici, o piccoli cristalli che presentano proprietà meccaniche quantistiche. Sono state inoltre progettate cellule in modo da poter comunicare tra loro e modificare la composizione del biofilm nel tempo.

In primo luogo, il team del MIT ha disabilitato la naturale capacità di produrre CsgA delle cellule batteriche, poi sostituito con un circuito genetico ingegnerizzato che produce CsgA ma solo a determinate condizioni, in particolare, quando una molecola chiamata AHL è presente. Questo mette il controllo della produzione di "curli-fibers" nelle mani dei ricercatori, che possono regolare la quantità di AHL nell'ambiente delle cellule. Quando AHL è presente, le cellule secernono CsgA, che costituisce le "curli-fibers" che si coagulano in un biofilm, rivestimento la superficie in cui i batteri sono in crescita.

I ricercatori hanno poi ingegnerizzato le cellule di E. coli per produrre CsgA etichettato con peptidi da cluster di istidina, ma solo quando una molecola chiamata ATC è presente. I due tipi di cellule ingegnerizzate possono essere coltivate insieme in una colonia, consentendo ai ricercatori di controllare la composizione del materiale del biofilm variando le quantità di AHL e Atc nell'ambiente. Se entrambi sono presenti, il film conterrà un mix di fibre taggate e non. Se nanoparticelle di oro vengono aggiunte all'ambiente, i tag di istidina le cattureranno su di loro, creando file di nanofili d'oro, e una rete che conduce elettricità.


Le cellule che parlano tra loro

I ricercatori hanno anche dimostrato che le cellule possono coordinarsi per controllare la composizione del biofilm. Hanno progettato cellule che producono CsgA senza tag e anche AHL, che poi stimola altre cellule di iniziare a produrre CsgA taggato con istidina.

"E' davvero un sistema semplice, ma ciò che accade nel tempo è che si ottengono "curli-fibers" sempre etichettate da particelle d'oro. Questo mostra che effettivamente si possono far parlare le cellule tra di loro e modificare la composizione del materiale nel tempo", spiega Lu . "Infine, speriamo di emulare il funzionamento dei sistemi naturali, come l'osso. Nessuno dice all'osso che cosa fare, ma genera nuovo materiale in risposta a segnali ambientali."

Per aggiungere punti quantici alle "curli-fibers", i ricercatori hanno costruito cellule che producono "curli-fibers" insieme con un tag diverso dal peptide, chiamato SpyTag, che si lega ai punti quantici di cui sono rivestite con SpyCatcher, una proteina che è partner di SpyTag. Queste cellule possono essere coltivate insieme con i batteri che producono fibre taggate con istidina, risultando in un materiale che contiene siapunti quantici che nanoparticelle di oro.

Varrebbe la pena indagare sulle possibilità di impiego di questi materiali ibridi nelle celle o nelle batterie solari, dice Lu. I ricercatori sono interessati a rivestire i biofilm con enzimi che catalizzano la rottura della cellulosa, che potrebbe essere utile per la conversione dei rifiuti agricoli in biocarburanti. Altre potenziali applicazioni includono dispositivi diagnostici e l'ingegneria dei tessuti.

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