Investigadores de la Universidad Rice han logrado un avance significativo en el campo de los materiales vivos diseñados (ELMs), revelando un nuevo método para controlar con precisión su estructura y respuesta a fuerzas como el estiramiento o la compresión. Este descubrimiento, publicado en una edición especial de ACS Synthetic Biology, podría revolucionar diversos campos, incluida la ingeniería de tejidos, la administración de fármacos e incluso la impresión 3D de dispositivos vivos.
La investigación se centró en la modificación de las matrices proteicas, las redes de proteínas que proporcionan la estructura a los ELMs. Al introducir pequeños cambios genéticos, el equipo descubrió que podían alterar significativamente el comportamiento de estos materiales. Los investigadores utilizaron una bacteria llamada Caulobacter crescentus, modificada genéticamente para producir una proteína llamada BUD, que ayuda a las células a unirse y formar una matriz de soporte.
El equipo luego varió la longitud de segmentos de proteínas específicos llamados polipéptidos similares a la elastina (ELPs) dentro de los BUD-ELMs, creando tres variantes distintas: BUD40, BUD60 y BUD80. Cada variante exhibió propiedades únicas en función de la longitud de sus ELPs. BUD40, con los ELPs más cortos, formó fibras más gruesas, lo que resultó en un material más rígido. BUD60, con ELPs de longitud media, creó una combinación de glóbulos y fibras, lo que resultó en el material más fuerte bajo estrés de oscilación de deformación. BUD80, con los ELPs más largos, generó fibras más delgadas, lo que resultó en un material menos rígido que se rompe fácilmente bajo estrés de deformación.
Las técnicas avanzadas de imagen y las pruebas mecánicas revelaron que estas diferencias no eran simplemente cosméticas, sino que afectaban fundamentalmente la forma en que los materiales manejaban el estrés y fluían bajo presión. BUD60, por ejemplo, podía soportar más fuerza y adaptarse mejor a los cambios en su entorno, lo que lo hace ideal para aplicaciones como la impresión 3D o la administración de fármacos.
Los tres materiales compartían dos características clave: exhibían un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento, lo que significa que su viscosidad disminuía bajo estrés, y retenían una gran cantidad de agua (alrededor del 93% de su peso). Estas propiedades los hacen muy adecuados para usos biomédicos como andamios para apoyar el crecimiento celular en la ingeniería de tejidos o sistemas para administrar medicamentos de forma controlada.
Las aplicaciones potenciales van más allá del campo biomédico. Estos materiales autoensamblables podrían adaptarse para la limpieza ambiental o aplicaciones de energía renovable, como la construcción de estructuras biodegradables o la explotación de procesos naturales para generar energía.
Esta investigación, apoyada por la Beca de Investigación para Graduados de la National Science Foundation, el Instituto de Prevención e Investigación del Cáncer de Texas y la Welch Foundation, destaca la importancia de comprender la relación entre las secuencias genéticas, la estructura del material y el comportamiento. Al identificar cómo las modificaciones genéticas específicas afectan las propiedades de los materiales, los investigadores están sentando las bases para el diseño de materiales vivos de próxima generación.