Il biologo marino modifica la bioprinting per la creazione del corallo bionico
I coralli stanno morendo a livello globale. Di fronte ai cambiamenti climatici e al riscaldamento globale, possiamo aspettarci alcune gravi conseguenze, che a loro volta incidono direttamente sulla vita marina. In quello che si sta rivelando un evento di estinzione di massa, le barriere coralline sono state pericolosamente minacciate da sostanze tossiche e eccesso di anidride carbonica per anni, causando la morte certa di maggio di questi diversi invertebrati marini. Una volta che il corallo è morto, anche le barriere coralline moriranno e si eroderanno, distruggendo un’importante vita marina, che altrimenti si nutre e si genera su di essa.
Considerando che gli scienziati hanno previsto che quasi tutte le barriere coralline spariranno tra 20 anni, è fondamentale proteggere i coralli e imparare da loro. Per il campo in espansione della biotecnologia, le risorse non sfruttate come i coralli hanno un grande potenziale, come composti bioattivi per la ricerca sul cancro o semplicemente come fonte di ispirazione per la produzione di bioenergia e bioprodotti.
In un’intervista , il biologo interdisciplinare marino Daniel Wangpraseurt , del Dipartimento di ingegneria nanometrica dell’Università della California di San Diego (UCSD) , ha spiegato come la tecnologia di bioprinting sia stata un punto cardine nel suo lavoro per sviluppare nuovi coralli bionici stampati in 3D come nuovo strumento per biomateriali ispirati al corallo che possono essere utilizzati nella biotecnologia delle alghe, nella conservazione della barriera corallina e nella ricerca sulla simbiosi tra corallo e alghe.
“Per molti anni ho studiato come i coralli ottimizzano la gestione della luce e ho scoperto che ci sono molti trucchi evolutivi interessanti, come diverse forme di crescita e proprietà dei materiali, quindi mi sono interessato a copiare queste strategie e sviluppare materiali artificiali che potrebbero ospitare microalghe viventi , proprio come fanno i coralli in natura “, ha rivelato Wangpraseurt.
Essendo uno degli ecosistemi più produttivi a livello globale, le barriere coralline usano la fotosintesi per convertire l’anidride carbonica in energia che a loro volta usano per il cibo. Sebbene la luce fornisca l’energia che alimenta la produttività della barriera corallina, sono necessari anche nutrienti chiave come azoto e fosforo, ma si trovano in quantità molto basse nei caldi oceani tropicali dove si trovano generalmente le barriere coralline, facendo sì che gli scienziati si chiedano come siano riusciti a questi animali marini creare un habitat competitivo con risorse così limitate.
Un raggio laser è intensamente sparso dal tessuto elastico del corallo e dallo scheletro dell’aragonite. (Credito: Daniel Wangpraseurt)
Wangpraseurt ha descritto che, mentre diversi coralli hanno sviluppato una pletora di geometrie per raggiungere tali capacità, sono tutti caratterizzati da microalghe che ospitano tessuti animali, costruite su uno scheletro di carbonato di calcio che funge da supporto meccanico e come mezzo di diffusione per ottimizzare la distribuzione della luce verso tessuti contenenti alghe altrimenti ombreggiati.
“Prendendo ciò che abbiamo appreso su coralli e biomateriali, abbiamo iniziato a lavorare su un progetto per sviluppare un sistema sintetico e simbiotico usando un approccio di bioprinting 3D. Sappiamo che i coralli hanno sia cellule animali che cellule algali e, finora, abbiamo imitato la parte animale dei coralli, cioè il microhabitat fisico e chimico che controlla parzialmente l’attività delle cellule algali. “
Alla UCSD, Wangpraseurt prevede di continuare a ricreare strutture biomateriali fotosintetiche ispirate al corallo usando una nuova tecnica di bioprinting e una bioprinter 3D personalizzata in grado di imitare i tratti funzionali e strutturali della simbiosi corallo-algale. Insieme a colleghi ricercatori provenienti da UCSD, l’ Università di Cambridge , l’ Università di Copenhagen e l’University of Technology di Sydney , e grazie ad una borsa di studio dalla Unione europea s’ Orizzonte 2020 programma di ricerca e innovazione, e il National Institutes of Health (NIH) , il team ha riportato i risultatidel loro lavoro sui materiali bio-ispirati che è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications all’inizio di quest’anno .
“Vogliamo andare oltre e non solo sviluppare un microhabitat fisico simile, ma anche modulare le interazioni cellulari, imitando i percorsi biochimici della simbiosi. Speriamo che ciò ci consenta non solo di ottimizzare la fotosintesi e la crescita cellulare, ma anche di comprendere meglio come funziona la simbiosi in natura. In questo modo, possiamo migliorare la nostra comprensione dei fenomeni di stress come lo sbiancamento dei coralli, che è in gran parte responsabile della morte globale dei coralli. “
Quindi, in che modo le bioprinter sono diventate la tecnologia di riferimento per questo progetto? Wangpraseurt spiega che, mentre lavorava come ricercatore presso il laboratorio di fotonica bio-ispirata del Dipartimento di Chimica dell’Università di Cambridge , ha notato che gli scienziati stavano usando la cellulosa come biomateriale con interessanti risposte ottiche. Si chiedeva come potesse usare la cellulosa per sviluppare un materiale con una complessità architettonica ben definita.
“All’inizio, l’obiettivo principale era sviluppare un biomateriale ispirato al corallo, che avesse una risposta ottica simile al corallo naturale, e quindi far crescere alghe su di esso o al suo interno. In tal modo, abbiamo iniziato con tecniche semplici, utilizzando stampanti 3D convenzionali; tuttavia, non è stato molto facile ricreare la risoluzione spaziale di cui avevamo bisogno per i coralli. “
Ispirato dalla ricerca sulla bioprinting 3D nelle scienze mediche, Wangpraseurt ha contattato gli scienziati del laboratorio NanoEngineering dell’UCSD che stavano sviluppando modelli di fegato artificiale e che in seguito sono diventati collaboratori del progetto.
Il team ha continuato a sviluppare una piattaforma di stampa 3D che imita le caratteristiche morfologiche del tessuto di corallo vivente e dello scheletro sottostante con una risoluzione di micron, comprese le loro proprietà ottiche e meccaniche. Utilizza un approccio in due fasi basato sulla proiezione di luce continua per la bioprinting 3D multistrato e i costrutti di tessuto artificiale di corallo sono fabbricati con una nuova soluzione di bioink, in cui le microalghe simbiotiche sono miscelate con un gelatina fotopolimerizzabile di metacrilato (GelMA) e idrogel di cellulosa nanocristalli derivati (CNC). Allo stesso modo, lo scheletro artificiale è stampato in 3D con un polimero a base di diacrylate di polietilenglicole (PEGDA).
Primo piano di polipi di coralli e biomateriali fotosintetici viventi. Colonie viventi di Symbiodinium sono visibili all’interno dei tessuti bioprintati 3D (Credit: Daniel Wangpraseurt)
Con sede a San Diego, Wangpraseurt ha trascorso mesi cercando di ricreare l’intricata struttura dei coralli con un sistema simbiotico distinto che è noto per crescere mentre crea uno dei più grandi ecosistemi del pianeta.
“Abbiamo utilizzato una bioprinter 3D sviluppata per scopi medici, che abbiamo modulato e sviluppato ulteriormente un bioink specifico per i coralli. Gran parte del lavoro è stato correlato all’ottimizzazione delle proprietà del materiale per garantire la vitalità delle cellule. Avere il giusto bioink per i nostri ceppi di alghe è stato cruciale come se dovessimo usare miscele comunemente usate per le colture cellulari umane, le cellule non cresceranno molto bene e possono morire rapidamente. “
Le implicazioni dei coralli bionici stampati in 3D di nuova concezione in grado di far crescere microalghe sono molte. Wangpraseurt ha dichiarato di voler continuare a lavorare sui coralli bionici e di potenziare potenzialmente il processo per la sua startup, chiamata mantaz , nonché per le proprietà commerciali; o sviluppare materiali ispirati al corallo su larga scala per avere un impatto più immediato sugli sforzi relativi al ripristino della barriera corallina e anche per le biotecnologie.
Wangpraseurt sta cercando di ridimensionare il sistema di bioprinting per avere un impatto più immediato sulla biotecnologia, la bioenergia e i bioprodotti delle alghe. Afferma che lui e i suoi colleghi possono “personalizzare l’ambiente delle alghe e perfezionare la produzione di un determinato bioprodotto per attingere potenzialmente al mercato dei bioprodotti delle alghe e ridimensionare il sistema per la produzione di bioenergia”.
“Un altro mio interesse è quello di sviluppare ulteriormente un sistema di simbiosi di corallo sintetico bioprinted 3D, che può fornire importanti informazioni sui meccanismi che portano alla morte dei coralli, ma può anche portare allo sviluppo di tecnologie future per il ripristino della barriera corallina.”
Il ricercatore parla delle barriere coralline con una passione riverente che oggi va oltre il suo lavoro di laboratorio. Quando non sta spostando le ricerche presso USCD, Wangpraseurt sta lavorando con la sua impresa sociale a Panama, mentre lui e il suo team cercano di ripristinare gli ecosistemi della barriera corallina per aiutare le comunità costiere nei tropici, compresi i pescatori locali , raccogliendo biomassa di alghe che può essere venduto per scopi diversi, come il fertilizzante naturale, che contribuisce a una catena di produzione biologica e sostenibile. Inoltre, gli aspetti ispirati al corallo della società di ricerca e startup di Wangpraseurt si stanno davvero fondendo per consentire a lui e al suo team di capire come funzionano i coralli e, a loro volta, come possiamo imparare da loro a beneficio del nostro pianeta.
