Materiais programáveis ​​baseados em biofilme que se automontam

Um estudo recém-publicado detalha como os pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard estão usando biofilmes para criar materiais autocurativos e outras tecnologias.

Para muitas pessoas, os biofilmes evocam imagens de pedras escorregadias em leitos de rios ou esgotos sujos. Uma equipe do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard pensa neles como uma nova plataforma robusta para nanomateriais projetados que poderiam ajudar a limpar rios poluídos, fabricar produtos farmacêuticos, fabricar novos têxteis e muito mais.

Biofilmes são comunidades de bactérias abrigadas em uma matriz de material extracelular viscoso, mas extremamente resistente, composto de açúcares, proteínas, material genético e muito mais. Os pesquisadores queriam dar-lhes uma nova cara e desenvolveram um novo sistema de engenharia de proteínas chamado BIND para fazer isso. Com o BIND, que significa display de nanofibra integrado a biofilme, a equipe disse que os biofilmes poderiam se tornar fundições vivas para a produção em larga escala de biomateriais que podem ser programados para fornecer funções que não são possíveis com os materiais existentes. Eles relataram a prova de conceito hoje na revista Nature Communications.

“A maioria das pesquisas relacionadas ao biofilme hoje se concentra em como se livrar dos biofilmes, mas demonstramos aqui que podemos projetar esses materiais naturais super-resistentes para desempenhar funções específicas, então podemos querer que eles estejam disponíveis em quantidades específicas e para aplicações específicas”, disse Neel Joshi, membro do corpo docente do Wyss Institute, autor sênior do estudo. Joshi também é professor associado de engenharia química e biológica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard (SEAS).

Os biofilmes também podem se automontar e se autocurar. “Se forem danificados, voltam a crescer porque são tecidos vivos”, disse o autor principal Peter Nguyen, pós-doutorado no Wyss Institute e no SEAS.

Durante a formação do biofilme, as bactérias individuais bombeiam proteínas que se automontam fora da célula, criando redes emaranhadas de fibras que essencialmente unem as células em comunidades que mantêm as bactérias mais seguras do que estariam sozinhas.

O interesse na engenharia de biofilmes está disparando e, embora várias outras equipes tenham desenvolvido recentemente ferramentas genéticas para controlar a formação de biofilmes, a equipe de Joshi alterou a composição do próprio material extracelular, essencialmente transformando-o em uma plataforma de produção auto-replicante para produzir qualquer material que desejassem. para produzir.

“Até recentemente, não havia cooperação suficiente entre biólogos sintéticos e investigadores de biomateriais para explorar desta forma o potencial sintético dos biofilmes. Estamos tentando preencher essa lacuna”, disse Joshi.

A equipe fundiu geneticamente uma proteína com uma função específica desejada – por exemplo, uma proteína conhecida por aderir ao aço – em uma pequena proteína chamada CsgA, que já é produzida pela bactéria E. coli. O domínio anexado acompanha o processo natural pelo qual o CsgA é secretado fora da célula, onde se automonta em proteínas super-resistentes chamadas nanofibras amilóides. Estas proteínas amilóides retêm a funcionalidade da proteína adicionada, garantindo a função desejada, neste caso o biofilme adere ao aço.

As proteínas amilóides tradicionalmente têm uma má reputação pelo seu papel em causar enormes desafios à saúde, como Alzheimer doença, mas aqui o seu papel é fundamental para tornar o BIND robusto. As amiloides podem se agrupar espontaneamente em fibras que, em peso, são mais fortes que o aço e mais rígidas que a seda.

“Também estamos entusiasmados com a versatilidade do método”, disse Joshi. A equipe demonstrou a capacidade de fundir 12 proteínas diferentes à proteína CsgA, com sequências e comprimentos amplamente variados. Isto significa que, em princípio, eles podem usar esta tecnologia para exibir praticamente qualquer sequência de proteína – uma característica significativa porque as proteínas desempenham uma série de funções impressionantes, desde a ligação a partículas estranhas, à realização de reações químicas, à transmissão de sinais, ao fornecimento de suporte estrutural, e transportar ou armazenar certas moléculas.

Estas funções não só podem ser programadas no biofilme, uma de cada vez, como também podem ser combinadas para criar biofilmes multifuncionais.

O conceito de fábrica microbiana não é novo, mas é a primeira vez que é aplicado a materiais, em oposição a moléculas solúveis, como medicamentos ou combustíveis. “Estamos essencialmente programando as células para serem fábricas”, disse Joshi. “Eles não produzem apenas uma matéria-prima como bloco de construção, eles orquestram a montagem desses blocos em estruturas de ordem superior e mantêm essas estruturas ao longo do tempo.”

“O trabalho fundamental que Neel e sua equipe estão realizando com biofilmes oferece um vislumbre de um futuro muito mais ambientalmente sustentável, onde fábricas gigantescas são reduzidas ao tamanho de uma célula que podemos programar para fabricar novos materiais que atendam às nossas necessidades diárias – desde têxteis para a limpeza energética e ambiental”, disse o diretor fundador do Wyss Institute, Don Ingber.

Por enquanto, a equipe demonstrou a capacidade de programar biofilmes de E. coli que aderem a certos substratos, como o aço, e outros que podem imobilizar uma série de proteínas ou promover a formação de prata para a construção de nanofios.

Este trabalho foi financiado principalmente pelo Wyss Institute. Os autores também reconhecem o apoio da National Science Foundation Graduate Research Fellowship e da A*STAR National Science Graduate Fellowship.

Referência: “Materiais programáveis ​​à base de biofilme de nanofibras curli projetadas” por Peter Q. Nguyen, Zsofia Botyanszki, Pei Kun R. Tay e Neel S. Joshi, 17 de setembro de 2014, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/ncomms5945