Personalizarea materialelor vii pentru ingineria țesuturilor, livrarea de medicamente și imprimarea 3D

Cercetătorii de la Rice University au demonstrat, printr-o serie de experimente inovatoare, cum mici modificări genetice pot influența în mod semnificativ structura și proprietățile unor materiale vii (așa-numitele materiale vii proiectate, ELM-uri). Aceste ELM-uri sunt create din bacterii modificate astfel încât să producă proteine care acționează ca o matrice de susținere. Scopul? Obținerea unor materiale personalizabile, extrem de utile în aplicații precum ingineria tisulară, eliberarea controlată de medicamente și imprimarea 3D a unor structuri „vii”.

De la secvență genetică la proprietăți macroscopedice

Echipa a fost interesată să înțeleagă exact cum modificările introduse în anumite părți din secvența genetică - segmente proteice denumite polipeptide asemănătoare elastinei (ELPs) - pot schimba comportamentul și rezistența ELM-urilor. În noul studiu, publicat în ACS Synthetic Biology, cercetătorii arată că lungimea acestor ELP-uri influențează grosimea fibrelor, modul în care se organizează proteinele și răspunsul materialului la forțe de întindere sau compresie.

Bacterii „arhitecți” de materiale

La baza sistemului se află bacteria Caulobacter crescentus, deja modificată genetic într-o cercetare anterioară pentru a produce o proteină specială numită BUD (acronim pentru „bottom-up de novo”). BUD ajută bacteriile să se grupeze într-o rețea proteică densă, generând structuri robuste la scară de centimetri (numite BUD-ELMs). Aceste ELM-uri devin astfel platforme ideale de testare a efectelor pe care schimbările mici din codul genetic le pot avea asupra structurii și comportamentului lor mecanic.

Trei variante cu proprietăți distincte

Prin varierea lungimii ELP-urilor, cercetătorii au obținut trei tipuri de materiale:

• BUD40: Cu segmente ELP mai scurte și fibre mai groase, acest material s-a dovedit mai rigid.  
• BUD60: Varianta cu lungime medie a ELP-urilor a format o structură mixtă de globule și fibre, rezistând cel mai bine la solicitări repetate (de exemplu, deformări oscilante sau vibrații).  
• BUD80: A avut ELP-urile cele mai lungi și, în consecință, fibre mai subțiri și o rezistență mai mică la deformări.  

Testele de microscopie și de reologie (măsurarea modului în care materialele curg sau se deformează) au confirmat că diferențele nu sunt doar vizuale. De pildă, BUD60 răspunde mai bine la forțe care îl întind, făcându-l candidatul ideal pentru procedee de 3D printing și sisteme de livrare controlată a substanțelor active, unde adaptabilitatea la condiții dinamice este crucială.

Caracteristici-cheie pentru aplicații biomedicale

Toate cele trei materiale conțin circa 93% apă și prezintă fenomenul de subțierea prin forfecare (devin mai fluide sub presiune, dar își recapătă consistența la încetarea forței aplicate). Acest comportament este foarte valoros în:

• Ingineria tisulară - matricea servește drept suport pentru culturi celulare, simulând un microambient similar cu țesuturile naturale.  
• Eliberarea controlată de medicamente - structura bogată în apă permite stocarea substanțelor terapeutice, iar plasticitatea materialului îi permite să reziste la variații de presiune sau deformare în corp.  
• Imprimarea 3D de materiale vii - capacitatea de adaptare la forțe de întindere și compresie facilitează realizarea unor structuri complexe, potențial personalizate pentru fiecare pacient.  

O nouă direcție în proiectarea materialelor vii

Acest studiu demonstrează pentru prima dată cum pot fi configurate relațiile dintre secvența proteică și proprietățile mecanice ale materialului, cu un impact major asupra domeniilor medicale și industriale. Potrivit autorilor, procesul de „ajustare fină” a ELP-urilor oferă un cadru valoros de înțelegere a modului în care modificările genetice pot genera caracteristici mecanice foarte precise. În viitor, aceste cunoștințe ar putea fi extinse către:

• Crearea de materiale sustenabile pentru mediu (de exemplu, biodegradabile)  
• Sisteme inovatoare de captare sau generare de energie  
• Noi tehnici de construcție a dispozitivelor de detoxifiere, filtrare sau monitorizare a factorilor de mediu  

În concluzie, cercetările pun bazele unei noi generații de materiale vii cu proprietăți „programabile”, obținute prin simple modificări genetice care influențează modul în care rețelele proteice se formează și se comportă. Această abordare deschide perspective largi de aplicare, de la biomedicină până la soluții de mediu sau energie regenerabilă, și reprezintă un pas important spre integrarea directă a conceptelor de biologie sintetică în procese de fabricație industriale.