Investigadores de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un nuevo tipo de material que se imprime en 3D y que podría ofrecer una solución sostenible y ecológica para limpiar los contaminantes del agua.
7 de septiembre de 2023
Apodado “material vivo diseñado”, es una estructura impresa en 3D hecha de un polímero a base de algas combinadas con bacterias. Que han sido modificadas genéticamente para producir una enzima que transforma varios contaminantes orgánicos en moléculas benignas.
Las bacterias también fueron diseñadas para autodestruirse en presencia de una molécula llamada teofilina, que a menudo se encuentra en el té y el chocolate. Esto ofrece una forma de eliminarlos una vez que hayan hecho su trabajo.
Una combinación eficaz
«Lo innovador es la combinación de un material polimérico con un sistema biológico. Para crear un material vivo que puede funcionar y responder a estímulos de maneras que los materiales sintéticos normales no pueden». Esto lo dijo Jon Pokorski, profesor de nanoingeniería en UC San Diego, quien co-dirigió la investigación.
«Esta colaboración nos permitió aplicar nuestro conocimiento de la genética y fisiología de las cianobacterias para crear un material vivo». Así se expresó Susan Golden, miembro de la facultad de la Facultad de Ciencias Biológicas. «Ahora podemos pensar de forma creativa en la ingeniería de funciones novedosas en las cianobacterias para crear productos más útiles».
Para crear el material vivo en este estudio, los investigadores utilizaron alginato. Un polímero natural derivado de algas marinas comunes en el medio ambiente marino. Lo hidrataron para hacer un gel y lo mezclaron con un tipo de bacteria fotosintética que habita en el agua conocida como cianobacteria.
La mezcla se introdujo en una impresora 3D. Después de probar varias geometrías impresas en 3D, los investigadores descubrieron que una estructura en forma de rejilla era óptima para mantener vivas a las bacterias.
La forma elegida tiene una alta relación superficie-volumen. Lo que coloca a la mayoría de las cianobacterias cerca de la superficie del material para acceder a nutrientes, gases y luz. El aumento de la superficie también hace que el material sea más eficaz en la descontaminación.
Diseño genético
Como experimento de prueba de concepto, los investigadores diseñaron genéticamente las cianobacterias en su material para producir continuamente una enzima descontaminante llamada lacasa.
Los estudios han demostrado que la lacasa se puede utilizar para neutralizar una variedad de contaminantes orgánicos. Incluido el bisfenol A (BPA) y una amplia variedad de antibióticos, fármacos y colorantes.
En este estudio, los investigadores demostraron que su material se puede utilizar para eliminar el contaminante índigo carmín a base de tinte, que es un tinte azul que se usa ampliamente en la industria textil. En las pruebas, el material decoloró una solución acuosa que contenía el tinte.
Desechable
Los investigadores también desarrollaron una forma de eliminar las cianobacterias una vez que se hayan eliminado los agentes de contaminación. Diseñaron genéticamente las bacterias para que respondieran a una molécula llamada teofilina. La molécula hace que las bacterias produzcan una proteína que destruye sus células.
«El material vivo puede actuar sobre el contaminante de interés y luego se puede agregar una pequeña molécula para matar las bacterias», dijo Pokorski. «De esta manera, podemos aliviar cualquier preocupación sobre la permanencia de bacterias genéticamente modificadas en el medio ambiente«.
Una solución preferible, señalan los investigadores, es hacer que las bacterias se destruyan a sí mismas sin la adición de productos químicos. Esta será una de las direcciones futuras de esta investigación. «Nuestro objetivo es fabricar materiales que respondan a estímulos que ya están presentes en la naturaleza«, dijo Pokorski.
“Estamos entusiasmados con las posibilidades que puede generar este trabajo y los nuevos e interesantes materiales que podemos crear. Este es el tipo de investigación que puede resultar cuando investigadores con experiencia interdisciplinaria en ciencias biológicas y de materiales unen fuerzas. Todo esto es posible gracias a nuestro grupo de investigación interdisciplinario en UC San Diego MRSEC”.
Referencia: este trabajo fue una colaboración entre ingenieros, científicos de materiales y biólogos del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de UC San Diego (MRSEC). Los investigadores co-principales del equipo multidisciplinario incluyen a los profesores de biología molecular Susan Golden y James Golden y al profesor de nanoingeniería Shaochen Chen. Los coautores fueron Debika Datta, Elliot L. Weiss, Daniel Wangpraseurt, Erica Hild, Shaochen Chen, James W. Golden, Susan S. Golden y Jonathan K. Pokorski, todos en UC San Diego. Fue publicado en la revista Nature Communications.
7/09/2023
