Los investigadores de la Universidad de Duke han convertido las bacterias en constructores de dispositivos útiles al programarlos con un circuito genético sintético.
A medida que una colonia bacteriana crece en forma de hemisferio, el circuito genético desencadena la producción de un tipo de proteína para distribuir dentro de la colonia que puede reclutar materiales inorgánicos. Cuando los investigadores suministran nanopartículas de oro, el sistema forma una concha doradaalrededor de la colonia bacteriana, cuyo tamaño y forma pueden controlarse alterando el entorno de crecimiento.
El resultado es un dispositivo que se puede utilizar como sensor de presión, lo que demuestra que el proceso puede crear dispositivos de trabajo.
Mientras que otros experimentos han desarrollado con éxito materiales utilizando procesos bacterianos, se han basado completamente en el control externo de dónde crecen las bacterias y se han limitado a dos dimensiones. En el nuevo estudio, los investigadores de Duke demuestran la producción de una estructura compuesta mediante la programación delas células mismas y controlan su acceso a los nutrientes, pero aún dejan a las bacterias libres para crecer en tres dimensiones.
El estudio aparece en línea el 9 de octubre en Biotecnología de la naturaleza .
"Esta tecnología nos permite hacer crecer un dispositivo funcional a partir de una sola célula", dijo Lingchong You, profesor asociado de ingeniería de Paul Ruffin Scarborough en Duke. "Fundamentalmente, no es diferente de programar una célula para hacer crecer un árbol completo."
La naturaleza está llena de ejemplos de vida que combinan compuestos orgánicos e inorgánicos para hacer mejores materiales. Los moluscos crecen conchas que consisten en carbonato de calcio entrelazado con una pequeña cantidad de componentes orgánicos, lo que resulta en una microestructura tres veces más resistente que el carbonato de calcio solo. Nuestros propios huesosson una mezcla de colágeno orgánico y minerales inorgánicos compuestos de varias sales.
Aprovechar tales habilidades de construcción en bacterias tendría muchas ventajas sobre los procesos de fabricación actuales. En la naturaleza, la fabricación biológica utiliza materias primas y energía de manera muy eficiente. En este sistema sintético, por ejemplo, ajustar las instrucciones de crecimiento para crear diferentes formas y patrones podría ser teóricamentemucho más barato y más rápido que fundir las nuevas matrices o moldes necesarios para la fabricación tradicional.
"La naturaleza es un maestro en la fabricación de materiales estructurados que consisten en componentes vivos y no vivos", dijo You. "Pero es extraordinariamente difícil programar la naturaleza para crear patrones autoorganizados. Este trabajo, sin embargo, es una prueba de-principio de que no es imposible "
El circuito genético es como un paquete biológico de instrucciones que los investigadores insertan en el ADN de una bacteria. Las instrucciones primero le dicen a la bacteria que produzca una proteína llamada ARN polimerasa T7 T7RNAP, que luego activa su propia expresión en un circuito de retroalimentación positiva.También produce una pequeña molécula llamada AHL que puede difundirse en el medio ambiente como un mensajero.
A medida que las células se multiplican y crecen hacia afuera, la concentración de la molécula mensajera pequeña alcanza un umbral de concentración crítico, lo que desencadena la producción de dos proteínas más llamadas lisozima y curli T7. La primera inhibe la producción de T7RNAP mientras que la segunda actúa como una especie deVelcro biológico que puede adherirse a compuestos inorgánicos.
La interacción dinámica de estos circuitos de retroalimentación hace que la colonia bacteriana crezca en un patrón en forma de domo hasta que se quede sin comida. También hace que las bacterias en el exterior del domo produzcan el Velcro biológico, que se adhiere a las nanopartículas de orosuministrado por los investigadores, formando una concha del tamaño de una peca promedio.
Los investigadores pudieron alterar el tamaño y la forma del domo controlando las propiedades de la membrana porosa en la que crece. Por ejemplo, cambiar el tamaño de los poros o cuánto repele el agua de la membrana afecta la cantidad de nutrientes que se pasan alas células, alterando su patrón de crecimiento.
"Estamos demostrando una forma de fabricar una estructura tridimensional basada completamente en el director de autoorganización", dijo Stefan Zauscher, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales de la familia Sternberg en Duke. "Esa estructura tridimensionalluego se utiliza como un andamio para generar un dispositivo con propiedades físicas bien definidas. Este enfoque está inspirado en la naturaleza, y debido a que la naturaleza no hace esto por sí sola, hemos manipulado a la naturaleza para que lo haga por nosotros ".
Para mostrar cómo su sistema podría usarse para fabricar dispositivos de trabajo, los investigadores usaron estas estructuras híbridas orgánicas / inorgánicas como sensores de presión. Se cultivaron conjuntos idénticos de cúpulas en dos superficies de sustrato. Los dos sustratos se intercalaron entre sí para que cada domose colocó directamente frente a su contraparte en el otro sustrato.
Cada domo se conectó a una bombilla de luz LED a través de un cableado de cobre. Cuando se aplicó presión al sándwich, las cúpulas se presionaron entre sí, causando una deformación que resultó en un aumento de su conductividad. Esto, a su vez, causó el correspondienteBombillas LED para iluminar una cierta cantidad dependiendo de la cantidad de presión que se aplique.
"En este experimento, nos enfocamos principalmente en los sensores de presión, pero la cantidad de direcciones en las que esto podría tomarse es enorme", dijo Will Yangxiaolu Cao, un asociado postdoctoral en el laboratorio de You y primer autor del artículo."Podríamos usar materiales biológicamente sensibles para crear circuitos vivos. O si pudiéramos mantener a las bacterias vivas, podrías imaginar hacer materiales que puedan curarse a sí mismos y responder a los cambios ambientales".
"Otro aspecto que nos interesa seguir es cómo generar patrones mucho más complejos", dijo You. "Las bacterias pueden crear patrones de ramificación complejos, todavía no sabemos cómo hacer que lo hagan nosotros".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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