Ingenieros y biólogos del MIT se han unido para diseñar un nuevo «material vivo»: una lámina de hidrogel resistente, elástica y biocompatible, inyectada con células vivas programadas genéticamente para iluminarse en presencia de ciertas sustancias químicas.
En un artículo publicado esta semana enProceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores demuestran el potencial del nuevo material para detectar sustancias químicas tanto en el medio ambiente como en el cuerpo humano.
El equipo fabricó varios sensores portátiles con el hidrogel con células, entre ellos un guante de goma con las yemas de los dedos que brillan tras tocar una superficie contaminada con sustancias químicas, y vendajes que se iluminan al presionarlos contra sustancias químicas presentes en la piel de una persona.
Xuanhe Zhao, profesor asociado de desarrollo profesional Robert N. Noyce de ingeniería mecánica en el MIT, afirma que el diseño de material vivo del grupo podría adaptarse para detectar otras sustancias químicas y contaminantes, con aplicaciones que abarcan desde la investigación de escenas del crimen y la ciencia forense hasta el monitoreo de la contaminación y el diagnóstico médico.
«Con este diseño, las personas pueden introducir distintos tipos de bacterias en estos dispositivos para indicar la presencia de toxinas en el medio ambiente o de enfermedades en la piel», afirma Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería biológica y de ingeniería eléctrica e informática. «Estamos demostrando el potencial de los materiales y dispositivos vivos».
Los coautores del artículo son los estudiantes de posgrado Xinyue Liu, Tzu-Chieh Tang, Eleonore Tham, Hyunwoo Yuk y Shaoting Lin.
Infundir vida en los materiales
Lu y sus colegas del Grupo de Biología Sintética del MIT se especializan en crear circuitos biológicos y reprogramar genéticamente componentes biológicos de células vivas, comoE. colipara que trabajen juntos en secuencia, de forma muy parecida a los pasos lógicos de un circuito eléctrico. De este modo, los científicos pueden reprogramar células vivas para que realicen funciones específicas, incluida la capacidad de detectar y señalar la presencia de virus y toxinas.
Sin embargo, muchas de estas células recién programadas solo se han demostradoin situ, dentro de placas de Petri, donde los científicos pueden controlar cuidadosamente los niveles de nutrientes necesarios para mantener las células vivas y activas; se ha demostrado que es extremadamente difícil reproducir ese entorno en materiales sintéticos.
«El reto de crear materiales vivos consiste en mantener esas células vivas para que sean viables y funcionales en el dispositivo», afirma Lu. «Necesitan humedad y nutrientes, y algunas requieren oxígeno. El segundo reto es impedir que escapen del material».
Para superar estos obstáculos, otros investigadores han utilizado extractos químicos liofilizados de células modificadas genéticamente y los han incorporado al papel para crear tiras de diagnóstico de bajo costo que detectan virus. Sin embargo, señala Lu, los extractos no son lo mismo que las células vivas, que pueden conservar su funcionalidad durante más tiempo y quizá tengan mayor sensibilidad para detectar patógenos.
Otros grupos han sembrado células del músculo cardíaco en películas delgadas de goma para fabricar actuadores blandos «vivos» o robots. Sin embargo, al doblarlas repetidamente, estas películas pueden agrietarse y dejar que las células vivas se filtren.
Un soporte dinámico
El grupo de Zhao, del Laboratorio de Materiales Activos Blandos del MIT, ha desarrollado un material que podría ser ideal para albergar células vivas. Durante los últimos años, su equipo ha elaborado distintas formulaciones de hidrogel: un material resistente, muy elástico y biocompatible, hecho de una mezcla de polímero y agua. Sus diseños más recientes han contenido hasta un 95 por ciento de agua, lo que proporciona un entorno que Zhao y Lu reconocieron como posiblemente adecuado para mantener células vivas. El material también resiste el agrietamiento incluso cuando se estira y se tira de él repetidamente, una propiedad que podría ayudar a contener las células dentro del material.
Los dos grupos colaboraron para integrar las células bacterianas programadas genéticamente por Lu en las láminas de hidrogel de Zhao. Primero fabricaron capas de hidrogel y crearon canales estrechos en ellas mediante técnicas de impresión 3D y micromoldeo. Unieron el hidrogel a una capa de elastómero, o goma, lo bastante porosa como para dejar entrar oxígeno. Luego inyectaroncélulas de E. coli en los canales del hidrogel. Las células se programaron para emitir fluorescencia, es decir, iluminarse, al entrar en contacto con ciertas sustancias químicas que atraviesan el hidrogel; en este caso, un compuesto natural conocido como DAPG.
A continuación, los investigadores sumergieron el material de hidrogel y elastómero en un baño de nutrientes que impregnó todo el hidrogel y ayudó a mantener vivas y activas las células bacterianas durante varios días.
Para demostrar los posibles usos del material, los investigadores fabricaron primero una lámina con cuatro canales estrechos e independientes, cada uno con un tipo de bacteria modificada para brillar en verde en respuesta a un compuesto químico diferente. Comprobaron que cada canal se iluminaba de manera fiable al exponerse a su sustancia química correspondiente.
Después, el equipo convirtió el material en un vendaje, o «parche vivo», con canales que contenían bacterias sensibles a la ramnosa, un azúcar presente de forma natural. Los investigadores frotaron la muñeca de una persona voluntaria con un algodón empapado en ramnosa y luego aplicaron el parche de hidrogel, que se iluminó de inmediato en respuesta a la sustancia química.
Por último, los investigadores fabricaron un guante de hidrogel y elastómero cuyas yemas tenían canales en espiral, cada uno de ellos relleno con células bacterianas distintas que detectan sustancias químicas. Cada yema brilló al recoger un algodón empapado en el compuesto correspondiente.
El grupo también ha desarrollado un modelo teórico para orientar a otros en el diseño de materiales y dispositivos vivos similares.
«El modelo nos ayuda a diseñar dispositivos vivos de manera más eficiente», afirma Zhao. «Indica aspectos como el grosor que debe tener la capa de hidrogel, la distancia entre los canales, cómo disponerlos y cuántas bacterias usar».
En última instancia, Zhao imagina productos hechos de materiales vivos, como guantes y suelas de goma revestidos de hidrogel que detecta sustancias químicas, o vendajes, parches e incluso ropa capaces de detectar signos de infección o enfermedad.
Esta investigación recibió financiación, en parte, de la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de Salud.
