Reproducción artística de las fibras bacterianas que atrapan nanopartículas de oro, para formar las biopelículas con funciones biológicas y de los materiales inertes. Imagen: Yan Liang. Fuente: MIT.
Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han utilizado células bacterianas para fabricar unos biofilms o biopelículas (ecosistemas microbianos organizados) que pueden incorporar materiales no vivos, como nanopartículas de oro o puntos cuánticos.
Estos biofilms combinarían las ventajas de las células vivas -que responden a su entorno o producen moléculas biológicas- con las ventajas de los materiales inertes, con funciones tales como la producción de electricidad o la emisión de luz, informa el MIT en un comunicado.
Los materiales resultantes de esta combinación tendrían, por tanto, las capacidades de las células pero la funcionalidad de algunos materiales inertes. Algún día podrían usarse en el desarrollo de células solares más complejas, materiales de autocuración o sensores para diagnósticos, entre otras aplicaciones.
Aprovechando una producción de la E. coli
Los investigadores del MIT trabajaron en su investigación con una bacteria concreta, la Escherichia coli, porque ésta produce, de manera natural, biopelículas que contienen unas fibras rizadas (“curly”), a su vez formadas por proteínas amiloides que ayudan a la E. coli a adherirse a superficies.
Cada una de esas fibras rizadas está compuesta por una cadena de repeticiones de subunidades de proteínas idénticas, conocida como csgA. Esta cadena puede ser modificada mediante la adición de fragmentos de unas proteínas llamadas péptidos. Y estos péptidos, por su parte, pueden capturar materiales no vivientes, como nanopartículas de oro. Así se pueden incorporar estos elementos inertes a los biofilms.
Lo que hicieron los investigadores fue programar las células de la E. coli para que éstas produjeran diferentes tipos de fibras curly bajo ciertas condiciones. Así consiguieron controlar las propiedades de las biopelículas y crear nanocables de oro con ellas. Asimismo, lograron generar biopelículas salpicadas de puntos cuánticos o diminutos cristales con propiedades cuánticas.
Por último, manipularon las células para que éstas pudieran comunicarse entre sí, y modificar la composición de la biopelícula en el tiempo.
Estos biofilms combinarían las ventajas de las células vivas -que responden a su entorno o producen moléculas biológicas- con las ventajas de los materiales inertes, con funciones tales como la producción de electricidad o la emisión de luz, informa el MIT en un comunicado.
Los materiales resultantes de esta combinación tendrían, por tanto, las capacidades de las células pero la funcionalidad de algunos materiales inertes. Algún día podrían usarse en el desarrollo de células solares más complejas, materiales de autocuración o sensores para diagnósticos, entre otras aplicaciones.
Aprovechando una producción de la E. coli
Los investigadores del MIT trabajaron en su investigación con una bacteria concreta, la Escherichia coli, porque ésta produce, de manera natural, biopelículas que contienen unas fibras rizadas (“curly”), a su vez formadas por proteínas amiloides que ayudan a la E. coli a adherirse a superficies.
Cada una de esas fibras rizadas está compuesta por una cadena de repeticiones de subunidades de proteínas idénticas, conocida como csgA. Esta cadena puede ser modificada mediante la adición de fragmentos de unas proteínas llamadas péptidos. Y estos péptidos, por su parte, pueden capturar materiales no vivientes, como nanopartículas de oro. Así se pueden incorporar estos elementos inertes a los biofilms.
Lo que hicieron los investigadores fue programar las células de la E. coli para que éstas produjeran diferentes tipos de fibras curly bajo ciertas condiciones. Así consiguieron controlar las propiedades de las biopelículas y crear nanocables de oro con ellas. Asimismo, lograron generar biopelículas salpicadas de puntos cuánticos o diminutos cristales con propiedades cuánticas.
Por último, manipularon las células para que éstas pudieran comunicarse entre sí, y modificar la composición de la biopelícula en el tiempo.
Cómo se hizo
El equipo del MIT siguió los siguientes pasos en su trabajo: En primer lugar, deshabilitó la capacidad natural de las células bacterianas de producir la csgA, y la remplazó con un circuito de ingeniería genética que produce la csgA sólo bajo ciertas condiciones, en concreto, sólo cuando en su entorno hay una molécula inductora presente: la Acil-Homoserin-Lactonas o AHL.
Esta manipulación celular permitió a los investigadores controlar la producción de la fibra curli, mediante ajustes en la cantidad de AHL en su entorno. Cuando la AHL estaba presente, las células segregaban csgA y formaban fibras que se unían al biofilm, recubriendo la superficie en la que las bacterias estaban creciendo.
A continuación, los investigadores diseñaron células de E. coli que producían cadenas csgA etiquetadas o señalizadas con péptidos compuestos por la unión de aminoácidos del grupo histidina, pero sólo cuando una molécula llamada ATC estaba presente.
El resultado fue el siguiente: ahora los científicos pueden cultivar los dos tipos de células modificadas por ingeniería juntas en una colonia, lo que les permite controlar la composición del material de la biopelícula simplemente variando la presencia o las cantidades ambientales de las moléculas AHL y ATC.
Si ambas moléculas están presentes, la biopelícula resultante contiene una mezcla de fibras rizadas señalizadas y sin señalizar. Si se añaden a la biopelícula nanopartículas de oro, las “etiquetas” de histidina se agarran a ellas, creando filas de nanocables de oro y una red conductora de electricidad.
Los investigadores también han demostrado que las células pueden coordinarse entre sí para controlar la composición de las biopelículas. Para inducir esta coordinación, han diseñado células que producen csgA sin señalizar y AHL, que a su vez estimula a otras células para comenzar a producir CsgA señalizada con histidina.
Esto ha demostrado que, efectivamente, “se pueden desarrollar células que se comuniquen entre sí y que cambien la composición de la materia a través del tiempo", explican.
Adición de puntos cuánticos
Para añadir puntos cuánticos a las fibras rizadas, los investigadores diseñaron células señalizadas con un péptido diferente, el SpyTag, que se une a puntos cuánticos recubiertos con SpyCatcher, una proteína que se vincula naturalmente al SpyTag.
Los puntos cuánticos son nanoestructuras que confinan el movimiento de los electrones, y ya se usan en optoelectrónica para fabricar diodos láser emisores de luz más eficientes; en biomedicina para obtener imágenes de mucho contraste o en paneles solares experimentales. Poder organizarlos a voluntad en una biopelícula abre un campo de posibilidades para su aplicación más eficiente.
Los investigadores están interesados ahora en el recubrimiento de los biofilms con enzimas que catalicen la descomposición de la celulosa, algo que podría ser útil para la conversión de residuos agrícolas en biocombustibles. Otras aplicaciones potenciales incluyen dispositivos de diagnóstico y estructuras o “andamios” para la producción de tejidos en su interior, que es a lo que se dedica específicamente la ingeniería de tejidos.
El equipo del MIT siguió los siguientes pasos en su trabajo: En primer lugar, deshabilitó la capacidad natural de las células bacterianas de producir la csgA, y la remplazó con un circuito de ingeniería genética que produce la csgA sólo bajo ciertas condiciones, en concreto, sólo cuando en su entorno hay una molécula inductora presente: la Acil-Homoserin-Lactonas o AHL.
Esta manipulación celular permitió a los investigadores controlar la producción de la fibra curli, mediante ajustes en la cantidad de AHL en su entorno. Cuando la AHL estaba presente, las células segregaban csgA y formaban fibras que se unían al biofilm, recubriendo la superficie en la que las bacterias estaban creciendo.
A continuación, los investigadores diseñaron células de E. coli que producían cadenas csgA etiquetadas o señalizadas con péptidos compuestos por la unión de aminoácidos del grupo histidina, pero sólo cuando una molécula llamada ATC estaba presente.
El resultado fue el siguiente: ahora los científicos pueden cultivar los dos tipos de células modificadas por ingeniería juntas en una colonia, lo que les permite controlar la composición del material de la biopelícula simplemente variando la presencia o las cantidades ambientales de las moléculas AHL y ATC.
Si ambas moléculas están presentes, la biopelícula resultante contiene una mezcla de fibras rizadas señalizadas y sin señalizar. Si se añaden a la biopelícula nanopartículas de oro, las “etiquetas” de histidina se agarran a ellas, creando filas de nanocables de oro y una red conductora de electricidad.
Los investigadores también han demostrado que las células pueden coordinarse entre sí para controlar la composición de las biopelículas. Para inducir esta coordinación, han diseñado células que producen csgA sin señalizar y AHL, que a su vez estimula a otras células para comenzar a producir CsgA señalizada con histidina.
Esto ha demostrado que, efectivamente, “se pueden desarrollar células que se comuniquen entre sí y que cambien la composición de la materia a través del tiempo", explican.
Adición de puntos cuánticos
Para añadir puntos cuánticos a las fibras rizadas, los investigadores diseñaron células señalizadas con un péptido diferente, el SpyTag, que se une a puntos cuánticos recubiertos con SpyCatcher, una proteína que se vincula naturalmente al SpyTag.
Los puntos cuánticos son nanoestructuras que confinan el movimiento de los electrones, y ya se usan en optoelectrónica para fabricar diodos láser emisores de luz más eficientes; en biomedicina para obtener imágenes de mucho contraste o en paneles solares experimentales. Poder organizarlos a voluntad en una biopelícula abre un campo de posibilidades para su aplicación más eficiente.
Los investigadores están interesados ahora en el recubrimiento de los biofilms con enzimas que catalicen la descomposición de la celulosa, algo que podría ser útil para la conversión de residuos agrícolas en biocombustibles. Otras aplicaciones potenciales incluyen dispositivos de diagnóstico y estructuras o “andamios” para la producción de tejidos en su interior, que es a lo que se dedica específicamente la ingeniería de tejidos.
Referencia bibliográfica:
Allen Y. Chen, Zhengtao Deng, Amanda N. Billings, Urartu O. S. Seker, Michelle Y. Lu, Robert J. Citorik, Bijan Zakeri, Timothy K. Lu. Synthesis and patterning of tunable multiscale materials with engineered www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3912.html. Nature Materials (2014). DOI: 10.1038/nmat3912.
Allen Y. Chen, Zhengtao Deng, Amanda N. Billings, Urartu O. S. Seker, Michelle Y. Lu, Robert J. Citorik, Bijan Zakeri, Timothy K. Lu. Synthesis and patterning of tunable multiscale materials with engineered www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3912.html. Nature Materials (2014). DOI: 10.1038/nmat3912.