Προϊόντα από... «ζωντανά υλικά». Engineers design ‘living materials’

Υλικά φτιαγμένα (και) από βακτήρια είναι το νέο επίτευγμα των εργαστηρίων του ΜΙΤ. An artist's rendering of a bacterial cell engineered to produce amyloid nanofibers that incorporate particles such as quantum dots (red and green spheres) or gold nanoparticles. IMAGE: YAN LIANG

Ερευνητές του Πανεπιστημίου ΜΙΤ των ΗΠΑ έκαναν ένα ακόμα βήμα για τη δημιουργία των λεγόμενων «ζωντανών υλικών», υλικών που συνδυάζουν ανόργανα και οργανικά συστατικά. Η έμπνευση προέρχεται από την ύπαρξη στη φύση υλικών όπως τα οστά, όπου συνυπάρχουν ανόργανα μέταλλα και ζωντανά κύτταρα.

Η μετατροπή

Hybrid materials combine bacterial cells with nonliving elements that can conduct electricity or emit light.

Μηχανικοί του ΜΙΤ, με επικεφαλής τον Τίμοθι Λου καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Βιολογικής Μηχανικής, κατάφεραν να μετατρέψουν βακτηριακά κύτταρα, έτσι ώστε αυτά να παράγουν βιοφίλμ με ενσωματωμένα μη έμβια υλικά, όπως νανοσωματίδια χρυσού και κβαντικές κουκίδες.

Αυτά τα «ζωντανά υλικά», όπως αποκαλούνται, συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των έμβιων κυττάρων (άμεση ανταπόκριση στα ερεθίσματα του περιβάλλοντος, παραγωγή πολύπλοκων βιολογικών μορίων κ.α.) με τα οφέλη των άβιων υλικών (μεταφορά ηλεκτρισμού, εκπομπή φωτός κ.α.).

Στο μέλλον, τέτοια «υβριδικά» υλικά μπορεί να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό πιο πολύπλοκων συσκευών, όπως νέου τύπου μπαταριών, ηλιακών κυψελών, αυτο-επιδιορθούμενων υλικών ή διαγνωστικών και περιβαλλοντικών αισθητήρων.

«Η ιδέα μας είναι να βάλουμε μαζί τον έμβιο και τον άβιο κόσμο, προκειμένου να δημιουργήσουμε υβριδικά υλικά, τα οποία θα έχουν ζωντανά κύτταρα μέσα τους και θα είναι λειτουργικά», δήλωσε ο Λου.

Το βακτήριο

3D reconstruction of an E. coli biofilm composed of two strains, one expressing GFP (green) and one tdTomato (red). A void in the biofilm can be seen in the central area of the image, part of many channels that run through the structure. Lu and his colleagues chose to work with the bacterium E. coli because it naturally produces biofilms that contain so-called “curli fibers” — amyloid proteins that help E. coli attach to surfaces. Each curli fiber is made from a repeating chain of identical protein subunits called CsgA, which can be modified by adding protein fragments called peptides. These peptides can capture nonliving materials such as gold nanoparticles, incorporating them into the biofilms.

Οι ερευνητές πειραματίστηκαν με το γνωστό βακτήριο E.coli που από τη φύση του παράγει βιοφίλμ, το οποίο περιέχει αμυλοειδείς πρωτεϊνες που το βοηθούν να προσκολλάται σε επιφάνειες. Αυτές οι πρωτεϊνες αποτελούνται από υπομονάδες (CsgA), οι οποίες είναι δυνατό να τροποποιηθούν έτσι ώστε πλέον να ενσωματώνουν άβια υλικά, όπως τα νανοσωματίδια χρυσού.

Προγραμματίζοντας γενετικά με κατάλληλο τρόπο τα κύτταρα του E.coli, οι ερευνητές κατάφεραν να ελέγξουν τις ιδιότητες του παραγόμενου βιοφίλμ και να δημιουργήσουν υβριδικά «ζωντανά» νανοσύρματα χρυσού, βιοφίλμ-αγωγούς του ηλεκτρικού ρεύματος και φιλμ με διάσπαρτες κβαντικές κουκίδες (μικροσκοπικούς κρυστάλλους με κβαντομηχανικές ιδιότητες). Ακόμη, μπόρεσαν να «καθοδηγήσουν» τα κύτταρα έτσι να επικοινωνούν μεταξύ τους και να μεταβάλλουν μόνα τους τη σύνθεση του βιοφίλμ με το πέρασμα του χρόνου.

«Δείξαμε ότι είναι δυνατό να φτιάξουμε κύτταρα που ‘μιλάνε' και μπορούν να αλλάξουν τη σύνθεση του υλικού. Ο απώτερος στόχος μας είναι να μιμηθούμε τον τρόπο που τα συστήματα της φύσης, όπως τα οστά, σχηματίζονται. Κανένας δεν λέει σε ένα οστό τι να κάνει, όμως αυτό δημιουργεί ένα υλικό αναποκρινόμενο στα περιβαλλοντικά σήματα» αναφέρει ο Λου.

Το εύρος των πιθανών πρακτικών εφαρμογών φαίνεται από το γεγονός ότι η έρευνα χρηματοδοτείται, μεταξύ άλλων, από τα Γραφεία Ερευνών τόσο του Πολεμικού Ναυτικού, όσο και του Στρατού, καθώς επίσης από το υπουργείο Άμυνας, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ. Η έρευνα δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Nature Materials»