Ingenieros del MIT y del Imperial College London han desarrollado una nueva forma de generar materiales resistentes y funcionales inspirados en un tipo de té.
Los investigadores lograron producir celulosa utilizando una mezcla de bacterias y levaduras, similar a la «madre de kombucha» que se utiliza para fermentar el té.
Prevén que los cultivos podrían personalizarse para que las personas los utilicen en casa para cultivar filtros de agua u otros materiales útiles.
Ingenieros del MIT y del Imperial College London han desarrollado una nueva forma de generar materiales resistentes y funcionales mediante una mezcla de bacterias y levaduras similar a la «madre de kombucha» que se utiliza para fermentar el té.
Utilizando esta mezcla, también llamada SCOBY (cultivo simbiótico de bacterias y levaduras), los investigadores lograron producir celulosa incrustada con enzimas que pueden desempeñar diversas funciones, como detectar contaminantes ambientales. También demostraron que podían incorporar levaduras directamente en el material, creando «materiales vivos» que podrían utilizarse para purificar agua o para fabricar materiales de envasado «inteligentes» capaces de detectar daños.
«Prevemos un futuro en el que diversos materiales podrían cultivarse en casa o en instalaciones de producción locales, utilizando la biología en lugar de una fabricación centralizada y de alto consumo de recursos», afirma Timothy Lu, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica e Informática y de Ingeniería Biológica en el MIT.
Lu y Tom Ellis, catedrático de Bioingeniería del Imperial College London, son los autores principales del artículo, que se publica hoy en Nature Materials. Los autores principales del artículo son Tzu-Chieh Tang, estudiante de posgrado del MIT, y Charlie Gilbert, posdoctorando de la Universidad de Cambridge.
División del trabajo
Hace varios años, el laboratorio de Lu desarrolló una forma de utilizar E. coli para generar biopelículas incrustadas con materiales como nanohilos de oro. Sin embargo, esas películas son muy pequeñas y finas, lo que dificulta su uso en la mayoría de las aplicaciones a gran escala. En el nuevo estudio, los investigadores se propusieron encontrar una forma de utilizar microbios para generar mayores cantidades de materiales más sustanciales.
Pensaron en crear una población de microbios similar a una madre de kombucha, que es una mezcla de ciertos tipos de bacterias y levaduras. Estas «fábricas de fermentación», que normalmente contienen una especie de bacteria y una o más especies de levadura, producen etanol, celulosa y ácido acético, que confiere al té kombucha su sabor característico.
La mayoría de las cepas de levadura silvestre utilizadas en la fermentación son difíciles de modificar genéticamente, por lo que los investigadores las sustituyeron por una cepa de levadura de laboratorio llamada Saccharomyces cerevisiae. Combinaron la levadura con un tipo de bacteria llamada Komagataeibacter rhaeticus, que sus colaboradores del Imperial College London habían aislado previamente de una madre de kombucha. Esta especie puede producir grandes cantidades de celulosa.
Dado que los investigadores utilizaron una cepa de levadura de laboratorio, pudieron modificar las células para que realizaran cualquiera de las funciones que puede llevar a cabo la levadura de laboratorio; por ejemplo, producir enzimas que brillan en la oscuridad o detectar contaminantes en el medio ambiente. Además, la levadura puede programarse para descomponer los contaminantes después de detectarlos.
Mientras tanto, las bacterias del cultivo producen a gran escala grandes cantidades de celulosa resistente que sirve de soporte. Los investigadores diseñaron su sistema de modo que pueden controlar si las propias levaduras, o únicamente las enzimas que producen, se incorporan a la estructura de celulosa. El material tarda solo unos pocos días en crecer y, si se deja el tiempo suficiente, puede engrosarse hasta ocupar un espacio tan grande como una bañera.
«Creemos que este es un buen sistema, muy barato y muy fácil de fabricar en cantidades muy grandes», afirma Tang. «Produce al menos mil veces más material que el sistema de E. coli ».
Basta con añadir té
Para demostrar el potencial de su cultivo de microbios, al que llaman «Syn-SCOBY», los investigadores crearon un material que incorpora una levadura que detecta el estradiol, que a veces se encuentra como contaminante ambiental. En otra versión, utilizaron una cepa de levadura que produce una proteína luminosa llamada luciferasa cuando se expone a luz azul. Estas levaduras podrían sustituirse por otras cepas que detectan otros contaminantes, metales o patógenos.
El cultivo puede crecer en medio de cultivo de levadura normal, que los investigadores utilizaron en la mayoría de sus estudios, pero también han demostrado que puede crecer en té con azúcar. Los investigadores prevén que los cultivos podrían personalizarse para que las personas los utilicen en casa para cultivar filtros de agua u otros materiales útiles.
«Prácticamente cualquiera puede hacerlo en su cocina o en casa», afirma Tang. «No hace falta ser experto. Solo se necesita azúcar, té para aportar los nutrientes y un trozo de madre Syn-SCOBY».
La investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos, el Instituto MIT de Nanotecnología para Soldados y el Fondo Semilla MIT-MISTI MIT-Imperial College London. Tang recibió el apoyo de la beca MIT J-WAFS.
