19 de dezembro de 2023 (Destaque do Nanowerk) Os micróbios geneticamente modificados possuem um potencial surpreendente como fábricas vivas, ferramentas de diagnóstico, produtos de limpeza ambiental e muito mais. No entanto, apesar de todas as suas promessas, estes organismos permanecem em grande parte confinados a ambientes laboratoriais cuidadosamente controlados, incapazes de prosperar entre as condições variáveis dos habitats naturais e industriais. A fragilidade das células projetadas limitou severamente o seu impacto no mundo real nas esferas da fabricação, da saúde, da sustentabilidade e da exploração espacial, onde as soluções microbianas poderiam impulsionar imenso progresso. Agora, um engenhoso material biohíbrido desenvolvido por investigadores de importantes instituições chinesas fornece finalmente um meio de encapsular de forma robusta micróbios modificados para transporte protegido e libertação selectiva. Suas chamadas “sementes vivas” integram esporos bacterianos resistentes dentro de conchas protetoras construídas a partir de estruturas metal-orgânicas, uma classe altamente adaptável de materiais cristalinos porosos. Estas embarcações especializadas protegem os micróbios concebidos contra agressões ambientais, concedem um controlo preciso sobre a implantação dos organismos e podem lançar uma nova era onde os micróbios geneticamente melhorados viajam para remodelar a realidade. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em Materiais avançados (“Materiais de sementes vivas feitos de estrutura metálica-orgânica encapsulada Bacillus Subtilis Esporo”). Ao encapsular Bacillus subtilis esporos dentro estrutura metal-orgânica (MOF), os pesquisadores criaram partículas de “sementes vivas” que protegem os micróbios em condições hostis, ao mesmo tempo que permitem a liberação controlada nos meios de crescimento. Esta descoberta aborda uma barreira de longa data para as tecnologias de organismos geneticamente modificados (OGM), que tendem a ter um bom desempenho no laboratório, mas enfrentam dificuldades em ambientes imprevisíveis do mundo real.
Um esquema que mostra o design de sementes vivas inspiradas no crescimento de uma árvore gigante a partir de uma semente de planta. a) O ciclo de vida de uma semente vegetal de material natural; o endosperma das plantas angiospermas forma uma estrutura núcleo-casca do grão que envolve uma casca de noz durante o desenvolvimento da semente. Em ambientes desejáveis e ricos em nutrientes, a semente pode transformar-se numa árvore gigante. b) Inspirando-se em uma semente de planta, é proposto o desenvolvimento de esporos encapsulados em MOF como material de semente viva. Os esporos de bactérias modificadas podem ser encapsulados em uma estrutura núcleo-invólucro ZIF-8. Uma vez fabricada, esta semente viva pode responder a condições ambientais específicas e libertar os esporos, que eventualmente germinam em bactérias vivas funcionais com características pré-concebidas. (Reproduzido com permissão de Wiley-VCH Verlag) A inspiração para as sementes vivas veio da natureza. As sementes das plantas contêm revestimentos externos protetores que protegem os tecidos embrionários de estresses como a seca e a radiação UV até que as condições estejam maduras para a germinação. Os pesquisadores pretendiam recriar esse mecanismo adaptativo usando MOFs, uma classe altamente personalizável de materiais porosos formados a partir de nós metálicos interligados por moléculas ligantes orgânicas.
Os MOFs possuem propriedades úteis como alta área superficial, integridade estrutural e capacidade de resposta ambiental. Essas características tornaram os MOFs navios atraentes para abrigar B. subtilis com funções avançadas programadas em seu DNA. B. subtilis foram selecionados devido à sua robustez e capacidade de reanimar como bactérias vegetativas quando nutridos. Ao expressar proteínas repórteres fluorescentes nos esporos, a equipe pôde rastrear visualmente as transições de esporos para bactérias.
O processo de produção de sementes vivas envolveu a suspensão de esporos e íons metálicos em minúsculas gotículas de água, emulsificando a fase aquosa em óleo e, em seguida, precipitando uma camada porosa de MOF ZIF-8 ao redor de cada gota. Isto produziu microesferas ocas e uniformes com esporos contidos no espaço vazio interior. As esferas protegeram os esporos internos durante tratamentos severos, como calor elevado, alvejante oxidativo e irradiação UV que destruiu os esporos não protegidos. As taxas de degradação do ZIF-8 dependiam do meio circundante, permitindo a liberação controlada de esporos acionada por nutrientes.
Os esporos liberados amadureceram com sucesso em bactérias funcionais modificadas quando incubados em meio de crescimento. Como demonstração, os pesquisadores prepararam sementes vivas contendo B. subtilis projetado para detectar os produtos químicos IPTG e ácido cumínico. Após a liberação, as bactérias recuperaram a capacidade de resposta aos produtos químicos alvo em limites de sensibilidade comparáveis aos de suas contrapartes não encapsuladas.
Essa preservação e revitalização ambientalmente controlada de micróbios modificados oferece possibilidades interessantes para tecnologias microbianas atualmente confinadas a ambientes controlados, como fábricas e laboratórios. Ao conceder maior resiliência, os recipientes de sementes vivas poderiam permitir que os OGM funcionais desempenhassem funções em locais imprevisíveis, como o sistema gastrointestinal humano, fontes de água contaminadas e até mesmo terrenos extraterrestres, caso naves espaciais carregadas de esporos alcançassem outros mundos. Além disso, o conceito de semente viva deve ser generalizado para outros tipos de microrganismos passíveis de modificação genética e esporulação.
A pesquisa representa um casamento inovador entre a biologia sintética e a ciência dos materiais. As plataformas de sementes vivas podem beneficiar aplicações emergentes de micróbios modificados nos domínios da fabricação, da terapêutica, da gestão ambiental e da exploração espacial. Como autor principal, Dr.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
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