Living hydrogels with catalytic function grown from engineered yeast co-cultures

Imagina un mundo donde los materiales que utilizamos para fabricar dispositivos médicos, robots blandos o incluso alimentos no se fabrican en fábricas con maquinaria pesada y productos químicos tóxicos, sino que se cultivan, de forma muy parecida a un jardín. Esta es la promesa de los materiales vivos de ingeniería, un campo en el que los científicos programan organismos diminutos para que construyan estructuras por ellos. En el corazón de esta historia se encuentran los hidrogeles, redes blandas y gelatinosas hechas principalmente de agua que pueden albergar células vivas y sustentar la vida. Estos materiales son esenciales para cosas como la piel artificial, los apósitos para heridas y los andamios de tejido. Sin embargo, fabricarlos ha sido tradicionalmente un proceso difícil y, a menudo, perjudicial. Para convertir las proteínas líquidas en un gel sólido, los fabricantes suelen tener que mezclar agentes de reticulación químicos agresivos o enzimas purificadas costosas. Estos productos químicos pueden ser tóxicos para las mismas células que el gel debe proteger, y los pasos de purificación consumen mucha energía y son tediosos. La naturaleza, sin embargo, ha estado resolviendo este problema durante miles de millones de años. Las células vivas en nuestros propios cuerpos, y en el mundo natural, construyen y reparan constantemente estructuras de tipo gel vinculando proteínas entre sí sin ningún aditivo tóxico. La pregunta que los investigadores se han estado planteando es si podemos enseñar a los microbios a hacer lo mismo, creando estos materiales útiles simplemente cultivándolos en un cultivo líquido.

Un equipo de científicos de la Universidad de Aalto y el Imperial College London ha respondido ahora a esa pregunta con un rotundo sí. Han desarrollado un sistema en el que células de levadura modificadas cultivan un hidrogel fuerte y funcional directamente de un caldo líquido, evitando por completo la necesidad de productos químicos externos o pasos de fabricación complejos. Los investigadores comenzaron analizando un tipo específico de enzima llamada transglutaminasa, que actúa como un pegamento molecular, capaz de coser las cadenas de proteínas para formar una red sólida. Aunque existen algunas versiones de esta enzima en la naturaleza, el equipo decidió utilizar versiones bacterianas porque son robustas y no requieren moléculas auxiliares adicionales para funcionar. Tomaron cuatro enzimas bacterianas diferentes y programaron células de levadura para producirlas. Para encontrar al mejor candidato, exhibieron estas enzimas en la superficie de las células de levadura y utilizaron un proceso de clasificación para identificar cuál de ellas podía producir la levadura con mayor eficacia. Descubrieron que una enzima de una bacteria llamada Streptomyces mobaraensis era la clara ganadora.

El siguiente desafío era lograr que la levadura secretara esta enzima en el líquido para que pudiera actuar sobre las proteínas en el entorno circundante. Los investigadores modificaron la levadura para que liberara la enzima libremente en el caldo. Añadieron una proteína específica llamada caseína, que es rica en los bloques de construcción que la enzima necesita para trabajar, al cultivo líquido. Cuando se dejaron crecer las levaduras en un contenedor tranquilo y sin perturbaciones, comenzaron a secretar la enzima. Esta enzima empezó a vincular las proteínas de caseína entre sí. Sin embargo, surgió un problema: las células de levadura son demasiado pesadas para flotar, por lo que se hundieron al fondo del contenedor. Como resultado, la enzima solo se producía en el fondo, y el gel solo se formaba en una capa gruesa allí, dejando el resto del líquido sin cambios. El material no era uniforme y el proceso era ineficiente.

Para resolver esto, los investigadores buscaron una pista en la naturaleza. Las células de levadura en la naturaleza suelen adherirse a la materia vegetal, como la fruta en descomposición o la corteza de los árboles, que son ricas en celulosa. El equipo se preguntó si podrían utilizar diminutas fibras de celulosa, conocidas como nanofibrillas, para mantener las células de levadura suspendidas en el líquido. Añadieron una pequeña cantidad de estas nanofibrillas al cultivo. Estas fibras actuaron como un andamio suave e invisible, manteniendo las células de levadura en su lugar a través de todo el volumen del líquido. Con las células ahora distribuidas uniformemente, la enzima que producían podía alcanzar las proteínas de caseína en todas partes del contenedor. El resultado fue una transformación: todo el líquido se convirtió en un hidrogel uniforme y autosustentable en pocos días. Este gel no era solo una mezcla simple; tenía una estructura dual única. Una parte de la red estaba hecha de las fibras de celulosa físamente enredadas entre sí, y la otra parte estaba hecha de las proteínas químicamente pegadas por la enzima de la levadura. Esta combinación hizo que el material fuera notablemente fuerte y elástico, capaz de mantener su forma incluso cuando se lo aprieta, permaneciendo al mismo tiempo un 94 por ciento agua.

El verdadero poder de este sistema vivo, sin embargo, reside en su capacidad de hacer algo más que construir un gel. Los investigadores demostraron que podían cultivar un gel que también realizara una tarea química específica. Co-cultivaron la levadura creadora de gel con un segundo tipo de levadura modificada para producir una enzima que descompone los antibióticos. Debido a que ambos tipos de levadura crecían juntas en el mismo líquido, el hidrogel resultante contenía tanto las proteínas estructurales como la enzima que descompone los antibióticos. Cuando probaron el gel, descubrieron que podía cambiar con éxito el color de un indicador químico, demostrando que el material vivo estaba realizando activamente una función catalítica. Esto significa que, en un solo paso, cultivaron un material que era tanto un gel estructural como una herramienta funcional.

Este trabajo representa un cambio fundamental en cómo podríamos pensar en la fabricación de materiales. En lugar de forzar a los productos químicos a reaccionar en un tanque, los científicos permitieron que el material se construyera a sí mismo, guiado por las instrucciones genéticas dentro de las células vivas. El proceso es sencillo, requiriendo solo el cultivo de levadura en un medio líquido, y evita totalmente el uso de agentes de reticulación tóxicos. Los hidrogeles resultantes son fuertes, flexibles y pueden programarse para realizar tareas específicas, como descomponer sustancias nocivas. Debido a que las levaduras utilizadas se consideran generalmente seguras y las enzimas ya se utilizan en la industria alimentaria, este enfoque abre la puerta a la creación de nuevos tipos de materiales biodegradables para la medicina, la alimentación y la tecnología avanzada. El estudio muestra que, al trabajar con las capacidades naturales de las células vivas, podemos cultivar materiales complejos y de alto rendimiento que antes eran imposibles de fabricar sin procesos industriales agresivos.