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

Immaginate un mondo in cui i materiali che utilizziamo per costruire dispositivi medici, robot morbidi o persino cibo non siano fabbricati in fabbriche con macchinari pesanti e sostanze chimiche tossiche, ma siano invece coltivati, proprio come un giardino. Questa è la promessa dei materiali viventi ingegnerizzati, un campo in cui gli scienziati programmano minuscoli organismi affinché costruiscano strutture per loro. Al cuore di questa storia ci sono gli idrogel, reti morbide e gelatinose composte principalmente da acqua che possono contenere cellule viventi e sostenere la vita. Questi materiali sono essenziali per cose come la pelle artificiale, i medicazioni per le ferite e gli scaffold tissutali. Tuttavia, produrli è stato tradizionalmente un processo difficile e spesso dannoso. Per trasformare le proteine liquide in un gel solido, i produttori devono solitamente mescolare agenti reticolanti chimici aggressivi o enzimi purificati costosi. Queste sostanze chimiche possono essere tossiche per le stesse cellule che il gel dovrebbe proteggere, e i processi di purificazione sono energivori e laboriosi. La natura, tuttavia, ha risolto questo problema da miliardi di anni. Le cellule viventi nei nostri stessi corpi, e nel mondo naturale, costruiscono e riparano costantemente strutture simili a gel collegando le proteine tra loro senza l'uso di additivi tossici. La domanda che i ricercatori si sono posti è se possiamo insegnare ai microbi a fare lo stesso, creando questi materiali utili semplicemente coltivandoli in una coltura liquida.

Un team di scienziati dell'Università di Aalto e dell'Imperial College London ha ora risposto a questa domanda con un sì risonante. Hanno sviluppato un sistema in cui cellule di lievito ingegnerizzate coltivano un idrogel forte e funzionale direttamente da un brodo liquido, bypassando completamente la necessità di prodotti chimici esterni o complessi passaggi di produzione. I ricercatori hanno iniziato esaminando un tipo specifico di enzima chiamato transglutaminasi, che agisce come una colla molecolare, capace di cucire le catene proteiche per formare una rete solida. Sebbene alcune versioni di questo enzima esistano in natura, il team ha scelto di utilizzare versioni batteriche perché sono robuste e non richiedono ulteriori molecole ausiliarie per funzionare. Hanno preso quattro diversi enzimi batterici e hanno programmato le cellule di lievito per produrli. Per trovare il candidato migliore, hanno esposto questi enzimi sulla superficie delle cellule di lievito e hanno utilizzato un processo di selezione per identificare quale fosse l'enzima che il lievito poteva produrre più efficacemente. Hanno scoperto che un enzima proveniente da un batterio chiamato Streptomyces mobaraensis era il vincitore assoluto.

La sfida successiva era far sì che il lievito secernesse questo enzima nel liquido affinché potesse agire sulle proteine nell'ambiente circostante. I ricercatori hanno ingegnerizzato il lievito per rilasciare l'enzima liberamente nel brodo. Hanno aggiunto alla coltura liquida una specifica proteina chiamata caseina, ricca dei mattoni di cui l'enzima ha bisogno per lavorare. Quando le cellule di lievito sono state lasciate a crescere in un contenitore tranquillo e non disturbato, hanno iniziato a secernere l'enzima. Questo enzima ha iniziato a legare le proteine della caseina tra loro. Tuttavia, è emerso un problema: le cellule di lievito sono troppo pesanti per galleggiare, quindi sono affondate sul fondo del contenitore. Di conseguenza, l'enzima veniva prodotto solo sul fondo e il gel si formava solo in uno strato spesso lì, lasciando il resto del liquido invariato. Il materiale non era uniforme e il processo era inefficiento.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno cercato un indizio nella natura. Le cellule di lievito in natura spesso aderiscono a materia vegetale, come frutta in decomposizione o corteccia degli alberi, che sono ricche di cellulosa. Il team si è chiesto se potessero usare minuscole fibre di cellulosa, note come nanofibrille, per mantenere le cellule di lievito in sospensione nel liquido. Hanno aggiunto una piccola quantità di queste nanofibrille alla coltura. Queste fibre hanno agito come un delicato, invisibile scaffold, mantenendo le cellule di lievito in posizione in tutto il volume del liquido. Con le cellule ora distribuite uniformemente, l'enzima che producevano poteva raggiungere le proteine della caseina ovunque nel contenitore. Il risultato è stato una trasformazione: l'intero liquido si è trasformato in un idrogel uniforme e autoportante in pochi giorni. Questo gel non era una semplice miscela; possedeva una struttura duale unica. Una parte della rete era composta dalle fibre di cellulosa fisicamente intrecciate tra loro, e l'altra parte era composta dalle proteine chimicamente incollate dall'enzima del lievito. Questa combinazione ha reso il materiale straordinariamente forte ed elastico, capace di mantenere la sua forma anche quando veniva schiacciato, pur essendo composto al 94 percento da acqua.

Il vero potere di questo sistema vivente, tuttavia, risiede nella sua capacità di fare molto più che costruire un gel. I ricercatori hanno dimostrato di poter coltivare un gel che svolga anche un compito chimico specifico. Hanno co-coltivato il lievito che produce il gel con un secondo tipo di lievito ingegnerizzato per produrre un enzima che scompone gli antibiotici. Poiché entrambi i tipi di lievito crescevano insieme nello stesso liquido, l'idrogel risultante conteneva sia le proteine strutturali che l'enzima che scompone gli antibiotici. Quando hanno testato il gel, hanno scoperto che poteva cambiare con successo il colore di un indicatore chimico, provando che il materiale vivente stava attivamente svolgendo una funzione catalitica. Ciò significa che, in un unico passaggio, hanno coltivato un materiale che era sia un gel strutturale che uno strumento funzionale.

Questo lavoro rappresenta un cambiamento fondamentale nel modo in cui potremmo pensare alla produzione di materiali. Invece di forzare i prodotti chimici a reagire in un contenitore, gli scienziati hanno lasciato che il materiale crescesse da solo, guidato dalle istruzioni genetiche all'interno delle cellule viventi. Il processo è semplice, richiede solo la coltivazione del lievito in un mezzo liquido, ed evita interamente l'uso di reticolanti tossici. Gli idrogel risultanti sono forti, flessibili e possono essere programmati per eseguire compiti specifici, come la scomposizione di sostanze nocive. Poiché i lieviti utilizzati sono generalmente riconosciuti come sicuri e gli enzimi sono già utilizzati nell'industria alimentare, questo approccio apre la strada alla creazione di nuovi tipi di materiali biodegradabili per la medicina, l'alimentazione e la tecnologia avanzata. Lo studio dimostra che, lavorando con le capacità naturali delle cellule viventi, possiamo coltivare materiali complessi e ad alte prestazioni che prima erano impossibili da realizzare senza processi industriali aggressivi.