Inchiostro microbico programmabile per la stampa 3D di materiali viventi prodotti da nanofibre proteiche geneticamente modificate
I ricercatori della Northeastern University hanno ideato un materiale vivente stampabile in 3D in grado di crescere e guarire da solo.
Lo studio di prova ha cercato di sfruttare le proprietà uniche dei materiali che compongono gli esseri viventi per un’ampia gamma di scopi, che vanno dalle applicazioni terapeutiche e mediche, alle applicazioni industriali e persino spaziali.
Formato da E. coli geneticamente modificato, il materiale degli scienziati è “veramente vivente” poiché è interamente biologico e non è mescolato con nient’altro.
“Come un albero ha delle cellule incorporate al suo interno e passa da un seme a un albero assimilando risorse dall’ambiente circostante per mettere in atto questi programmi di costruzione di strutture, ciò che vogliamo fare è una cosa simile ma dove forniamo quei programmi in la forma del DNA che scriviamo e l’ingegneria genetica”, ha affermato Neel Joshi, Professore Associato di Chimica e Biologia Chimica alla Northeastern.
E. coli geneticamente modificato è stato utilizzato nella creazione di materiali stampabili 3D “viventi” prima, dai ricercatori del MIT Media Lab , del Wyss Institute dell’Università di Harvard e del Dana-Farber Cancer Institute . La piattaforma di fabbricazione Hybrid Living Material (HLM) del team ha utilizzato una combinazione di stampa 3D a getto d’inchiostro, resine e segnali chimici per attivare le risposte nei microbi ingegnerizzati biologicamente, con applicazioni particolari nel settore medico.
Altrove, scienziati di tutto il mondo hanno sperimentato la stampa 3D di cellule viventi per strutture che imitano le ossa , per produrre neuroni sensoriali e per studiarne il comportamento meccanoreattivo . Tuttavia, sebbene questi materiali contengano cellule viventi, non sono considerati “vivi”, poiché sono combinati con varie sostanze inerti.
Il nuovo materiale microbico del team nordorientale è, al contrario, interamente biologico ed è ciò che considerano “veramente vivente”.
Programming E. coli for 3D printing
E. coli produce una particolare proteina che agisce come un elemento costitutivo naturale, chiamate fibre Curli, che si attaccano a una superficie e l’una all’altra per formare una comunità. Le stesse proprietà che rendono le fibre Curli una sorta di colla per i batteri lo rendono anche un materiale attraente per gli ingegneri microbici.
Per creare il loro materiale vivente, i ricercatori hanno prima escogitato un modo per ingegnerizzare il batterio E. coli per produrre un inchiostro completamente biologico che potrebbe essere utilizzato per stampare strutture solide in 3D. Gli scienziati hanno iniziato coltivando E. coli geneticamente modificato in un pallone, alimentando i nutrienti dei batteri in modo che si moltiplicassero e, mentre si dividevano, producevano i polimeri della fibra Curli.
I ricercatori hanno quindi filtrato i polimeri gelatinosi per formare un inchiostro microbico che potrebbe essere inserito in una stampante 3D. Sebbene l’utilizzo di microbi per realizzare inchiostri stampabili in 3D non sia di per sé nuovo, ciò che distingue questo particolare inchiostro microbico è che è biologico al 100% e non miscelato con altre sostanze.
Testare il materiale vivente
Il team di Northeastern ha utilizzato il materiale gelatinoso per stampare piccoli oggetti a forma di cerchio, quadrato e cono. L’obiettivo del progetto è utilizzare le cellule viventi del materiale come “fabbriche” per realizzare materiali con attributi specifici, come quelli che potrebbero essere utili in medicina.
“Pensalo come una piattaforma per costruire molte cose diverse, non solo mattoni per edifici o costruzioni”, ha detto Joshi, che confronta il lavoro del team con il modo in cui i chimici polimerici concepiscono materiali plastici con vari scopi distinti. “La biologia è in grado di fare cose simili. Pensa alla differenza tra i capelli, che sono flessibili, e le corna di un cervo o di un rinoceronte o qualcosa del genere. Sono fatti di materiali simili, ma hanno funzioni molto diverse.
“LA BIOLOGIA HA SCOPERTO COME METTERE A PUNTO QUELLE PROPRIETÀ MECCANICHE UTILIZZANDO UN SET LIMITATO DI ELEMENTI COSTITUTIVI”.
A causa del fatto che il materiale è “vivo”, può fare ciò che fanno gli esseri viventi, ha detto Manjula-Basavanna, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Joshi. Ad esempio, il materiale è in grado di autoguarirsi, proprio come fa la pelle, e nelle giuste condizioni, le cellule all’interno del gel microbico potrebbero semplicemente fare di più da sole. Tuttavia, il materiale non è necessariamente sempre in crescita.
“Se dovessi prendere l’intero cono e immergerlo in una soluzione di glucosio, le cellule mangeranno quel glucosio e farebbero più di quella fibra e farebbero crescere il cono in qualcosa di più grande”, ha spiegato Joshi. “C’è la possibilità di sfruttare il fatto che ci sono cellule viventi lì. Ma puoi anche semplicemente uccidere le cellule e usarlo come materiale inerte”.
Mentre il gel iniziale è composto interamente da E. coli geneticamente modificato, il team di Northeastern ha anche sperimentato la miscelazione dell’inchiostro con altri microbi geneticamente modificati per creare diversi materiali di stampa 3D.
Attraverso i loro esperimenti, il team ha fabbricato un materiale in grado di fornire un farmaco antitumorale quando incontra uno stimolo chimico specifico e un materiale in grado di intrappolare la sostanza chimica tossica Bisfenolo A dall’ambiente circostante.
Sebbene lo studio sia finora una prova di concetto, Joshi crede che l’inchiostro microbico potrebbe aprire la strada a un’intera gamma di possibilità per costruire cose con la biologia. Ad esempio, il materiale potrebbe avere potenziali usi per la costruzione di habitat fuori dallo spazio e dei loro componenti, oltre a numerose applicazioni mediche.
“Se c’è un modo per produrre in modo più sostenibile, implicherà l’uso di cellule viventi”, ha detto Joshi. “Questo sta avanzando di più verso quel tipo di paradigma di costruire cose con cellule viventi”.
Ulteriori informazioni sullo studio possono essere trovate nel documento intitolato: “Inchiostro microbico programmabile per la stampa 3D di materiali viventi prodotti da nanofibre proteiche geneticamente modificate”, pubblicato sulla rivista Nature Communications. Lo studio è co-autore di A. Duraj-Thatte, A. Manjula-Basavanna, J. Rutledge, J. Xia, S. Hassan, A. Sourlis, A. Rubio, A. Lesha, M. Zenkl, A. Kan , D. Weitz, Y. Zhang, N. Joshi.
