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

Imagine um mundo onde os materiais que usamos para fabricar dispositivos médicos, robôs moles ou até mesmo alimentos não são manufaturados em fábricas com maquinário pesado e produtos químicos tóxicos, mas são, em vez disso, cultivados, tal como um jardim. Esta é a promessa dos materiais vivos de engenharia, um campo onde cientistas programam minúsculos organismos para construir estruturas para eles. No coração desta história estão os hidrogéis, redes macias e gelatinosas feitas majoritariamente de água que podem conter células vivas e sustentar a vida. Estes materiais são essenciais para coisas como pele artificial, curativos e arcabouços teciduais. No entanto, fabricá-los tem sido tradicionalmente um processo difícil e, muitas vezes, prejudicial. Para transformar proteínas líquidas em um gel sólido, os fabricantes geralmente precisam misturar agentes de reticulação químicos agressivos ou enzimas purificadas caras. Esses produtos químicos podem ser tóxicos para as próprias células que o gel deveria proteger, e as etapas de purificação são intensivas em energia e tediosas. A natureza, contudo, tem resolvido este problema há bilhões de anos. Células vivas em nossos próprios corpos, e no mundo natural, constroem e reparam constantemente estruturas gelatinosas ao ligar proteínas umas às outras sem quaisquer aditivos tóxicos. A questão que os pesquisadores têm feito é se podemos ensinar os micróbios a fazer o mesmo, criando estes materiais úteis simplesmente cultivando-os em uma cultura líquida.

Uma equipe de cientistas da Universidade de Aalto e do Imperial College London respondeu agora a essa pergunta com um sim retumbante. Eles desenvolveram um sistema onde células de levedura modificadas cultivam um hidrogel forte e funcional diretamente de um caldo líquido, contornando completamente a necessidade de produtos químicos externos ou etapas de fabricação complexas. Os pesquisadores começaram analisando um tipo específico de enzima chamado transglutaminase, que atua como uma cola molecular, capaz de costurar cadeias de proteínas para formar uma rede sólida. Embora algumas versões desta enzima existam na natureza, a equipe optou por usar versões bacterianas porque são robustas e não requerem moléculas auxiliares extras para funcionar. Eles pegaram quatro tipos diferentes de enzimas bacterianas e programaram células de levedura para produzi-las. Para encontrar o melhor candidato, eles exibiram estas enzimas na superfície das células de levedura e usaram um processo de triagem para identificar qual delas a levedura conseguia produzir de forma mais eficaz. Eles descobriram que uma enzima de uma bactéria chamada Streptomyces mobaraensis foi a vencedora clara.

O próximo desafio era fazer a levedura secretar esta enzima no líquido para que ela pudesse agir sobre as proteínas no ambiente circundante. Os pesquisadores modificaram a levedura para liberar a enzima livremente no caldo. Eles adicionaram uma proteína específica chamada caseína, que é rica nos blocos de construção de que a enzima precisa para trabalhar, à cultura líquida. Quando as leveduras foram deixadas para crescer em um recipiente silencioso e undisturbed (não perturbado), elas começaram a secretar a enzima. Esta enzima começou a ligar as proteínas de caseína umas às outras. No entanto, surgiu um problema: as células de levedura são muito pesadas para flutuar, então elas afundaram para o fundo do recipiente. Como resultado, a enzima foi produzida apenas no fundo, e o gel formou-se apenas em uma camada espessa ali, deixando o resto do líquido inalterado. O material não era uniforme e o processo era ineficiente.

Para resolver isso, os pesquisadores buscaram na natureza uma pista. Células de levedura na natureza frequentemente se prendem a matéria vegetal, como frutas em decomposição ou cascas de árvores, que são ricas em celulose. A equipe questionou se poderiam usar pequenas fibras de celulose, conhecidas como nanofibras, para manter as células de levedura suspensas no líquido. Eles adicionaram uma pequena quantidade destas nanofibras à cultura. Estas fibras atuaram como um arcabouço suave e invisível, mantendo as células de levedura no lugar em todo o volume do líquido. Com as células agora distribuídas uniformemente, a enzima que elas produziam podia alcançar as proteínas de caseína em todos os lugares do recipiente. O resultado foi uma transformação: todo o líquido transformou-se em um hidrogel uniforme e autossustentável em poucos dias. Este gel não era apenas uma mistura simples; possuía uma estrutura dupla única. Uma parte da rede era feita de fibras de celulose fisicamente emaranhadas, e a outra parte era feita de proteínas quimicamente coladas pela enzima da levedura. Esta combinação tornou o material notavelmente forte e elástico, capaz de manter sua forma mesmo quando pressionado, embora ainda fosse 94 por cento água.

O verdadeiro poder deste sistema vivo, entretanto, reside em sua capacidade de fazer mais do que apenas construir um gel. Os pesquisadores demonstraram que poderiam cultivar um gel que também realiza uma tarefa química específica. Eles cocultivaram a levedura formadora de gel com um segundo tipo de levedura modificada para produzir uma enzima que quebra antibióticos. Como ambos os tipos de levedura estavam crescendo juntos no mesmo líquido, o hidrogel resultante continha tanto as proteínas estruturais quanto a enzima que quebra antibióticos. Quando testaram o gel, descobriram que ele era capaz de mudar a cor de um indicador químico, provando que o material vivo estava realizando ativamente uma função catalítica. Isso significa que, em uma única etapa, eles cultivaram um material que era simultaneamente um gel estrutural e uma ferramenta funcional.

Este trabalho representa uma mudança fundamental na forma como podemos pensar sobre a fabricação de materiais. Em vez de forçar produtos químicos a reagir em um tanque, os cientistas deixaram o material crescer por si só, guiado pelas instruções genéticas dentro de células vivas. O processo é simples, exigindo apenas o cultivo de levedura em um meio líquido, e evita totalmente o uso de agentes de reticulação tóxicos. Os hidrogéis resultantes são fortes, flexíveis e podem ser programados para realizar tarefas específicas, como decompor substâncias nocivas. Como as leveduras utilizadas são geralmente reconhecidas como seguras e as enzimas já são utilizadas na indústria alimentícia, esta abordagem abre as portas para a criação de novos tipos de materiais biodegradáveis para a medicina, alimentação e tecnologia avançada. O estudo mostra que, ao trabalhar com as capacidades naturais das células vivas, podemos cultivar materiais complexos e de alto desempenho que anteriormente eram impossíveis de fabricar sem processos industriais severos.