I ricercatori dell’Università della California a San Diego hanno sviluppato un nuovo tipo di “materiale vivente” che potrebbe offrire una soluzione sostenibile ed ecocompatibile alla pulire gli inquinanti dall’acqua.
Soprannominato “materiale vivente ingegnerizzato”, si tratta di una struttura stampata in 3D composta da un polimero a base di alghe combinato con batteri geneticamente modificati per produrre un enzima che trasforma vari inquinanti organici in molecole benigne.
I batteri sono stati inoltre progettati per autodistruggersi in presenza di una molecola chiamata teofillina, che si trova spesso nel tè e nel cioccolato. Questo offre un modo per eliminarli dopo che hanno svolto il loro lavoro.
Debika Datta, ricercatrice post-dottorato in nanoingegneria presso l’UC San Diego e co-prima autrice dello studio, prepara un campione del materiale vivente. Foto di David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
I ricercatori descrivono il nuovo materiale decontaminante in a carta pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura.
“La cosa innovativa è l’abbinamento di un materiale polimerico con un sistema biologico per creare un materiale vivente che possa funzionare e rispondere agli stimoli in modi che i normali materiali sintetici non possono”, ha affermato Jon Pokorski, professore di nanoingegneria alla UC San Diego e co-autore. ha condotto la ricerca.
Il lavoro è frutto di una collaborazione tra ingegneri, scienziati dei materiali e biologi dell’Università Centro di scienza e ingegneria di ricerca sui materiali dell’UC San Diego (MRSEC). I co-investigatori principali del team multidisciplinare includono i professori di biologia molecolare Susan Golden e James Golden e il professore di nanoingegneria Shaochen Chen.
Il materiale vivente è stampato in 3D come una struttura a griglia.
“Questa collaborazione ci ha permesso di applicare la nostra conoscenza della genetica e della fisiologia dei cianobatteri per creare un materiale vivente”, ha affermato Susan Golden, membro della facoltà della Scuola di Scienze Biologiche. “Ora possiamo pensare in modo creativo all’ingegneria di nuove funzioni nei cianobatteri per realizzare prodotti più utili”.
Per creare il materiale vivente in questo studio, i ricercatori hanno utilizzato l’alginato, un polimero naturale derivato dalle alghe marine, lo hanno idratato per creare un gel e lo hanno mescolato con un tipo di batteri fotosintetici che vivono nell’acqua noti come cianobatteri.
La miscela è stata inserita in una stampante 3D. Dopo aver testato varie geometrie stampate in 3D per il loro materiale, i ricercatori hanno scoperto che una struttura a griglia era ottimale per mantenere in vita i batteri.
La forma scelta ha un elevato rapporto superficie/volume, che posiziona la maggior parte dei cianobatteri vicino alla superficie del materiale per accedere a nutrienti, gas e luce.
La maggiore area superficiale rende inoltre il materiale più efficace nella decontaminazione.
Come esperimento di prova, i ricercatori hanno ingegnerizzato geneticamente i cianobatteri nel loro materiale per produrre continuamente un enzima decontaminante chiamato laccasi. Gli studi hanno dimostrato che la laccasi può essere utilizzata per neutralizzare una varietà di inquinanti organici tra cui il bisfenolo A (BPA), antibiotici, farmaci e coloranti.
In questo studio, i ricercatori hanno dimostrato che il loro materiale può essere utilizzato per decontaminare l’inquinante indaco carminio, un colorante blu ampiamente utilizzato nell’industria tessile per colorare il denim. Nei test, il materiale ha decolorato una soluzione acquosa contenente il colorante.
I ricercatori hanno anche sviluppato un modo per eliminare i cianobatteri dopo che gli inquinanti sono stati eliminati. Hanno ingegnerizzato geneticamente i batteri per rispondere a una molecola chiamata teofillina. La molecola induce i batteri a produrre una proteina che distrugge le loro cellule.
“Il materiale vivente può agire sull’inquinante di interesse, quindi una piccola molecola può essere aggiunta successivamente per uccidere i batteri”, ha detto Pokorski. “In questo modo, possiamo alleviare qualsiasi preoccupazione relativa alla presenza di batteri geneticamente modificati persistenti nell’ambiente”.
Una soluzione preferibile, osservano i ricercatori, è che i batteri si distruggano senza l’aggiunta di sostanze chimiche. Questa sarà una delle direzioni future di questa ricerca.
“Il nostro obiettivo è creare materiali che rispondano agli stimoli già presenti nell’ambiente”, ha affermato Pokorski.
“Siamo entusiasti delle possibilità che questo lavoro può portare, dei nuovi entusiasmanti materiali che possiamo creare. Questo è il tipo di ricerca che può risultare quando ricercatori con competenze interdisciplinari nelle scienze dei materiali e biologiche uniscono le forze. Tutto ciò è reso possibile grazie al nostro gruppo di ricerca interdisciplinare presso l’UC San Diego MRSEC”.
Fonte: UCSD
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