El uso de materiales compuestos por microbios puede tener innumerables aplicaciones, como la creación de recursos vivos con los que abastecer a futuras colonias en Marte o la fabricación de medicamentos contra el cáncer, enfermedad contra la que también se consiguen avances en España. Ejemplo de ello es la tinta viva de impresión 3D que han desarrollado investigadores de Harvard.
La ingeniería de materiales y la biología son campos de estudio que está viviendo una época de efervescencia gracias a nuevas tecnologías como la impresión 3D. Crean órganos humanos o materiales vivos capaces de regular su propio crecimiento.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard y el Hospital Brigham and Women ha desarrollado un tipo de tinta o hidrogel cargado con microbios para crear estructuras de materiales vivos. Aseguran que los productos impresos en 3D con ese material pueden liberar fármacos o eliminar contaminantes químicos de su entorno.
Imprimiendo tinta viva
El artículo científico con los resultados ha sido publicado en la revista Nature Communications y en él los investigadores explican el proceso desarrollado durante varios años hasta conseguir demostrar la eficacia de este nuevo material de impresión 3D. A lo largo del proceso se han encontrado con retos importantes como conseguir que el material vivo se comportará ante su entorno de forma adecuada, pero también que sus propiedades permitieran usarlo en una impresora 3D para darle forma.
Los investigadores comenzaron por el segundo de estos retos, las tintas biológicas deben cumplir con dos requisitos para que puedan usarse en una impresora 3D. Primero es necesario contar con una viscosidad suficientemente baja para facilitar la extrusión, pero a su vez requieren que esa viscosidad sea alta para conservar su forma tras la impresión.
Con esto en mente, se recurrió a incorporar en la tinta la bacteria Escherichia coli (también conocida como E.coli) y nanofibras. La E.coli es una bacteria que forma parte de la microbiota del tracto gastrointestinal de animales como los pingüinos y el ser humano. "Se extruyó (proceso para dar forma a una masa) una mezcla de alginato y E. coli sobre una superficie de impresión que consistía en cloruro de calcio, sobre la cual las moléculas de alginato se reticulan para formar un gel solidificado", explica el paper.
Para conseguir la viscosidad adecuada, los investigadores se inspiraron en la fibrina, una proteína involucrada en la formación de coágulos sanguíneos. Después de demostrar que el rendimiento de impresión de la tinta microbiana era positivo, los científicos introdujeron los microbios genéticamente modificados en el hidrogel para producir las estructuras vivientes con la impresora 3D.
La tinta reacciona al entorno
El equipo adoptó tres enfoques diferentes, donde cada uno persigue que la función del material impreso se pueda aplicar a distintos casos como administrar medicamentos. Para ello, la tinta microbiana se forma a partir de células genéticamente modificadas.
Tinta con microbios impresa en 3D
El resultado es un material vivo que pretende servir en aplicaciones terapéuticas, por ejemplo como fármaco biológico contra el cáncer que secreta azurina en el medio extracelular. La azurina es una cuproproteína que se está estudiando como bloqueante de las células cancerosas. La cápsula impresa en 3D se incubó durante 48 horas para demostrar el funcionamiento del material vivo como terapia.
En otro proceso, el equipo al mando del estudio se centró en utilizar el material vivo para secuestrar un químico tóxico, el bisfenol A (BPA) que se encuentra en plásticos de policarbonato y se utiliza para botellas de agua, por ejemplo. Tras 12 y 24 horas de incubación la estructura impresa en 3D con el hidrogel, al que habían nutrido con nuevas células (CsgA-BPABP), llegó a secuestrar entre el 8% y el 27% del BPA del entorno.
Gráfico del estudio de Harvard con tinta viva
En tercer lugar, se analizó las posibilidades de regular el crecimiento celular del material. Se programaron las células para expresar la toxina endoribonucleasa (MazF) que puede detener el crecimiento celular y hasta provocar la muerte de las células. Con ello, se utilizó el hidrogel para imprimir una estructura donde se comprobó que la proliferación de colonias se había reducido, aunque más tarde el crecimiento se restauró en cierto modo.
"Dicho sistema de regulación se puede diseñar adicionalmente para controlar eficazmente el crecimiento celular y / o inducir la muerte celular dependiendo de la necesidad" aseguran en el informe. Esta cualidad plantea la posibilidad de contar con un material que crece en entornos controlados, lo que para los investigadores es potencialmente interesante en aquellos lugares donde escasean los recursos como nuevos planetas.
Viajando a Marte
"Nuestro bioenlace microbiano también podría ser particularmente útil para la construcción de estructuras en el espacio o hábitats extraterrestres" afirman los investigadores. Transportar los recursos necesarios para establecer colonias en el planeta rojo supondría un esfuerzo titánico para las agencias y empresas espaciales.
Proyecto de ciudad en Marte de Emiratos Árabes Unidos
Por este motivo, se plantea la posibilidad de generar los recursos en el mismo planeta aprovechando los materiales que hay allí o llevando materiales que permitan su cultivo. La tinta viva que propone este estudio, podría reproducirse o cultivarse para contar siempre con material de construcción, como si se tratara de la masa madre utilizada en panadería.
Por último, el equipo de investigación de Harvard sugiere combinar su desarrollo con otras tecnologías de materiales, "como las que ya están incorporando células vivas en materiales de construcción estructurales".
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