Bacterias genéticamente programadas para construir sensores de presión de oro: nuevos avances en la fabricación biológica de dispositivos de medición

 

El Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Duke (North Carolina, EEUU) ha logrado fabricar sensores de presión a partir de bacterias modificadas genéticamente.  Mediante la introducción de un conjunto de genes sintéticos en el ADN bacteriano, el equipo de Linghong You ha logrado que las bacterias sinteticen una serie de proteínas y compuestos que llevan a la producción de una especie de velcro capaz de atraer componentes inorgánicos, en este caso oro. Este tipo de estructuras podrían emplearse en la fabricación de una gran variedad de dispositivos útiles, como por ejemplo, sensores de presión completamente funcionales.

La naturaleza está llena de microestructuras híbridas que combinan materiales orgánicos e inorgánicos, dando como resultado la emergencia de nuevas propiedades físicas y químicas que otorgan capacidades adicionales. Así pues, la concha de las caracolas se forma entrelazando carbonato cálcico y pequeñas cantidades de material orgánico, lo que les proporciona una dureza tres veces superior a la que tendrían si estuvieran formadas únicamente de materia inorgánica. De manera análoga, nuestros huesos y dientes están formados por sales inorgánicas y colágeno orgánico, a este tipo de estructuras híbridas se les llama composite.

 

Estructura interna de una concha
Figura 1. Estructura interna de una concha como ejemplo de microestructura híbrida orgánica-inorgánica. Fuente: pixabay.

 

Este tipo de fabricación biológica es altamente eficiente en términos de utilización de materias primas y energía y no es perjudicial para el medioambiente. Por lo tanto, la posibilidad de poder generar estructuras híbridas en el laboratorio supondría una revolución a nivel industrial, ya que se obtendrían dispositivos mejorados y con nuevas propiedades, aumentando el ritmo de producción y abaratando los costes. Todo ello sin dañar el medioambiente.

Los últimos experimentos de fabricación empleando procesos bacterianos habían dado buenos resultados pero su éxito requería de un control externo y estaba limitado a estructuras bidimensionales. En este nuevo trabajo, los investigadores estadounidenses han demostrado que es posible obtener dispositivos tridimensionales tan sólo programando las bacterias a priori para posteriormente dejarlas crecer libremente.

 

Partículas de oro en sensores de presión construidos por bacterias
Figura 2. Los puntos negros representan nanopartículas de oro que han sido atraídas a la superficie de los sensores de presión construidos por bacterias modificadas genéticamente. Imagen de Will (Yanxiaolu) Cao, Duke University. Adaptada de ScienceDaily.

 

A medida que se va formando la colonia, las bacterias van sintetizando las proteínas encargadas de reclutar el material inorgánico, de manera que al añadir nanopartículas de oro, la colonia irá formando una cúpula de este material a su alrededor. Modificando los nutrientes del medio de cultivo se puede controlar el tamaño y la forma de esta estructura. Por ejemplo, si alteramos el tamaño de los poros o las propiedades hidrofóbicas de la membrana en la que crecen, influyendo en la cantidad de nutrientes del medio, lograremos cambiar el patrón de crecimiento bacteriano y, por lo tanto, la forma y tamaño de la estructura híbrida que se va formando.

Vista general del experimento
Figura 3. Vista general del experimento. a) Genes sintéticos introducidos en el ADN bacteriano. b) Cúpula 3D formada por compuestos proteicos sintetizados por los genes introducidos, que actuán como un velcro atrayendo las partículas de oro. c) Sensor de presión formado por la unión de dos cúpulas. Fuente: Esquema extraído del artículo asociado (1)

Con el objetivo de demostrar que este sistema puede ser empleado para la fabricación de dispositivos, los investigadores crearon dos estructuras idénticas en dos superficies de cultivo. Posteriormente unieron ambas cúpulas y conectaron cada una de ellas a una bombilla LED. Al aplicar presión ambas estructuras eran presionadas una contra la otra, causando una deformación que aumentaba la conductividad y, por lo tanto, encendía la bombilla. La intensidad y tiempo de encendido dependía de la cantidad y duración de la presión aplicada.  Hay un vídeo del funcionamiento del sensor disponible en LiveScience.

Este trabajo fue publicado el pasado 9 de Octubre en la prestigiosa revista Nature Biotechnology y el organismo modelo que emplearon fue E.coli, una bacteria que habita en nuestro intestino. You y sus colaboradores confían en poder generar estructuras cada vez más complejas basándose en la capacidad bacteriana de crecer siguiendo diversos patrones de ramificación.

Aunque la biofabricación por parte de células modificadas genéticamente aún está en sus inicios, los investigadores se mantienen entusiasmados al sostener que estos avances podrían suponer la creación de circuitos vivos. De hecho, si las bacterias pudieran mantenerse vivas, se podrían fabricar estructuras auto regenerativas y capaces de adaptarse a los cambios medioambientales. Artículo completo aquí.

 

Bibliografía

  1. Yangxiaolu Cao, Yaying Feng, Marc D Ryser, Kui Zhu, Gregory Herschlag, Changyong Cao, Katherine Marusak, Stefan Zauscher, Lingchong You. Programmable assembly of pressure sensors using pattern-forming bacteriaNature Biotechnology, 2017; DOI:1038/nbt.3978
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Almudena Devesa Peiró

Almudena Devesa Peiró, es Graduada en Biología por la Universidad de Valencia y postgraduada en Ciencias Forenses y Bioinformática. Motivada por su curiosidad y pasión por la ciencia, ha efectuado estancias en laboratorios de Australia, Suiza, Uruguay y España y obtenido el Premio a la Excelencia Académica. Actualmente está realizando el doctorado como parte del Departamento de Medicina Reproductiva Genómica y de Sistemas de la Fundación Instituto Valenciano de Infertilidad (IVI-RMA). Contacta a través de: equipoinspira@inspirabiotech.com

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