A natureza é mestre em fabricar materiais estruturados constituídos por componentes orgânicos e inorgânicos.

Quer um exemplo?

Os moluscos: eles cultivam conchas constituídas por carbonato de cálcio entrelaçado com uma pequena quantidade de componentes orgânicos, resultando em uma microestrutura três vezes mais resistente do que o carbonato de cálcio.

Outro exemplo: nossos ossos são uma mistura de colágeno orgânico e minerais inorgânicos constituídos por vários sais.

Porém, é extraordinariamente difícil programar a natureza para criar padrões auto-organizados.

Essa semana, pesquisadores da Universidade de Duke, deram uma prova de princípio de que isso não é impossível. Eles conseguiram que bactérias construíssem dispositivos funcionais programando-as com um circuito genético sintético.

Nesse experimento, à medida que uma colônia bacteriana crescia na forma de um hemisfério, o circuito genético desencadeava a produção de um tipo de proteína distribuído dentro da colônia, a qual podia recrutar materiais inorgânicos. Quando os pesquisadores forneceram nanopartículas de ouro, o sistema formou uma cúpula dourada ao redor da colônia bacteriana, cujo tamanho e forma podiam ser controlados quando o ambiente de crescimento fosse modificado.

Os pesquisadores conseguiram alterar o tamanho e a forma da cúpula controlando as propriedades da membrana porosa. Por exemplo, alterando o tamanho dos poros ou o quanto a membrana repele a água, afetou a quantidade de nutrientes que passam para as células, alterando o seu padrão de crescimento.

Experimentos anteriores cultivavam materiais com processos bacterianos (como exemplo, os engenheiros do MIT desenvolveram células bacterianas para produzir biofilmes que podem incorporar materiais não vivos, como nanopartículas de ouro e pontos quânticos). No entanto, esses experimentos dependiam totalmente do controle externo para definir onde as bactérias cresceriam e elas também eram limitadas a duas dimensões.

Nesse novo estudo, divulgado no dia 9 de outubro na Nature Biotechnology, os pesquisadores da Duke demonstraram a produção de uma estrutura compósita programando as próprias células e controlando o seu acesso a nutrientes, mas deixando a bactéria livre para crescer em três dimensões.

O resultado disso tudo foi um dispositivo que pode ser usado como sensor de pressão, provando que o processo pode criar dispositivos que funcionam.

“Esta tecnologia nos permitiu construir um dispositivo funcional a partir de uma única célula”, comemora Lingchong You, Professor Adjunto de Engenharia da Paul Ruffin Scarborough, em Duke. “Fundamentalmente, não é diferente de programar uma célula para cultivar uma árvore inteira”.

 Inspirada na natureza, mas indo além disso

Aproveitar essas habilidades que as bactérias têm de construir traria muitas vantagens em relação aos atuais processos de fabricação. Na natureza, a fabricação biológica usa matérias-primas e energia de forma muito eficiente. Neste sistema sintético, por exemplo, ajustar as instruções de crescimento para criar diferentes formas e padrões teoricamente pode ser muito mais barato e mais rápido do que lançar novos moldes para a fabricação tradicional.

“Estamos demonstrando uma maneira de fabricar uma estrutura 3D baseada inteiramente no princípio da auto-organização”, disse Stefan Zauscher, professor da Sternberg em Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais em Duke. “Essa estrutura 3D é então usada como um andaime para gerar um dispositivo com propriedades físicas bem definidas. Essa abordagem é inspirada na natureza, e como a natureza não faz isso por conta própria, nós a manipulamos para fazer isso por nós”.

A evolução

Uma coisa que interessa muito aos pesquisadores da Duke é descobrir como gerar padrões bem mais complexos. “As bactérias podem criar padrões complexos de ramificação, mas ainda não sabemos como fazer isso”, disse You.

“Nesta experiência, ficamos focados principalmente nos sensores de pressão, mas é imenso o número de direções que podem ser tomadas”, disse Will (Yangxiaolu) Cao, autor do artigo. “Nós poderíamos usar materiais biologicamente responsivos para criar circuitos vivos. Ou, se pudéssemos manter a bactéria viva, é possível criar materiais que possam se curar e responder às mudanças ambientais.”

É um “trabalho muito emocionante”, disse Timothy Lu, biólogo sintético do MIT, ao The Register. “Acho que isso representa um grande passo no campo dos materiais vivos.” Lu acredita que os materiais de auto-montagem “podem criar novos processos de fabricação que podem usar menos energia ou ser melhores para o meio ambiente do que os atuais.”

De fato, os métodos convencionais para a fabricação de materiais frequentemente exigem condições severas de reação, têm baixa eficiência energética e podem causar impactos negativos no meio ambiente e na saúde humana.

Os pesquisadores de Duke, utilizando a biologia sintética, demonstraram que é possível fabricar material programável, tridimensional (3D), usando bactérias formadoras de padrões que crescem em cima de membranas permeáveis ​​como um andaime estrutural. Esse trabalho foi a primeira demonstração de ser possível usar células projetadas para gerar materiais híbridos funcionais com arquitetura programável.

Fontes: Nature Biotechnology e Duke