Está vivo Como os materiais vivos estão remodelando a engenharia sustentável

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Está vivo! Como os materiais vivos estão remodelando a
engenharia sustentável
Descubra como os materiais vivos estão revolucionando a engenharia sustentável, oferecendo soluções
de autocura e responsivas para um futuro mais verde.
Não seria ótimo ter um material sustentável que pode ser cultivado a partir de pequenas quantidades,
capaz de ajudar na cicatrização de feridas, na entrega de medicamentos e até mesmo no aquecimento
de edifícios?
Essa é a promessa de materiais vivos projetados, também conhecidos como materiais ativos e de
resposta. Esses materiais de ponta consistem em um andaime povoado ou mesmo construído a partir de
células vivas, que reagem de maneiras específicas a diferentes estímulos. Ainda mais impressionante é
a sua capacidade de sustentar, regular ou curar-se.
Esses materiais podem ser feitos usando tipos de células fáceis de crescer, como leveduras, fungos e
cepas de bactérias de rápido crescimento, como Escherichia coli ou Bacillus subtilis para obter a
resposta material desejada. No entanto, para fornecer a resposta material apropriada, as células devem
ser capazes de prosperar em seu ambiente projetado, assim como fariam em seu habitat natural ou em
um ambiente de laboratório controlado.
Uma área interessante de aplicação é o uso de células vivas para fazer materiais de construção
responsivos e sustentáveis. Eles poderiam ser usados para reparar o exterior danificado de um edifício
ou calçada simplesmente crescendo para preencher o espaço ou corrigir a descoloração em edifícios
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sem a necessidade de trabalho manual ou pintura. Embora as aplicações sejam inovadoras, as bactérias
prosperam em faixas de temperatura específicas, tornando o conceito de harmonizar uma temperatura
de crescimento ideal com flutuações de temperatura sazonais naturais desafiadoras.
Para superar esse problema, uma equipe da Caltech liderada por Michael Shapiro e Julia Kornfield criou
um material à base de bactérias que é capaz de aproveitar estrategicamente a luz solar para modular a
temperatura para a produção de proteínas e o crescimento celular. Isso permite uma resposta favorável
a mudanças de temperatura externas inevitáveis acima e abaixo da temperatura ideal das células para
manter a população de bactérias saudável e o material totalmente funcional e responsivo.
Juntamente com sua ex-aluna de doutorado, Lealia Xiong, que conduziu o trabalho como parte de sua
tese, Kornfield e Shapir teve tempo para conversar conosco sobre seus materiais de vida projetados e
como eles podem ser usados como materiais de construção em uma variedade de aplicações ao ar livre,
de cidades a aldeias rurais e seu próprio quintal.
O que são materiais vivos projetados?
Lealia Xiong (LX): Materiais de vida projetados são materiais que têm propriedades vivas. Eles podem
ser compostos de células dentro de um material sintético ou podem ser compostos inteiramente de
células e polímeros que estão fazendo e secretando para formar um material em rede.
Qual é a história deles?
LX: A própria biologia sintética tem cerca de 20 anos neste momento e o interesse em fazer células
projetadas em materiais tem crescido muito na última década.
Mikhail Shapiro (MS): É uma visão de longa data que seremos capazes de fazer materiais baseados em
coisas vivas. Na verdade, já fazemos isso o tempo todo. As árvores ao nosso redor são um material
vivo, mas não um material vivo projetado.
A ideia é aproveitar as capacidades dos sistemas biológicos para fazer novos tipos de materiais que não
existem na natureza. Esse tem sido um sonho de engenheiros biológicos e biólogos sintéticos por
algumas décadas.
Onde estão sendo aplicados e que relevância eles têm?
LX: Como disse Mikhail, porque é relativamente novo poder realmente fazer tais materiais, acho que a
maioria dos estudos está em uma fase de prova de conceito. No entanto, o que é realmente interessante
sobre a ideia de um material vivo projetado, e por que estamos tão ansiosos para fazê-los, é que as
células vivas têm propriedades fascinantes como a capacidade de crescer de uma pequena quantidade
para uma grande quantidade, como árvores, que começam a partir de um pouco de bolota e crescem
em um enorme carvalho. Ser capaz de controlar o material que você está crescendo através da
engenharia seria muito interessante.
Há também a auto-cura. As células que usamos são E. coli e replicam muito rapidamente. Se você
danificar seu material com algum tipo de laceração ou furo, a esperança é que as células se dividam e
sejam capazes de preencher esse espaço e, porque [eles produzem polímeros para construir] o material,
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202301730
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você poderia ter uma ferida curada que é quase idêntica à maior parte do material e você não teria tanta
cicatriz.
Você poderia usar células de qualquer organismo para criar esses materiais e existem restrições
técnicas e éticas?
LX: Nós trabalhamos com bactérias, que geralmente são seguras. E coli são bactérias comensais
[micróbios que residem naturalmente no corpo ou dentro do corpo]. Nos seres humanos, e temos um
bom relacionamento com eles. B. (em inglês). O subtilis usado por nossos colaboradores também é
geralmente seguro para os seres humanos. Os sistemas que usamos não são um-para-um, por isso não
somos capazes de conectar quaisquer bactérias a eles, mas eles podem ser relativamente facilmente
adaptados para uso em outras bactérias.
Eu sei que há muito interesse na comunidade de materiais vivos projetados no uso de fungos. Levedura,
por exemplo, é comumente usado em biologia sintética, mas também há interesse em cogumelos
porque os cogumelos também podem crescer incrivelmente rapidamente e o micélio é um material
bastante resistente e pode ser mais fácil de construir em estruturas tridimensionais, enquanto nossas
amostras são imaginadas como sendo mais um revestimento.
Como eles são feitos?
LX: O material que nossos colaboradores da Caltech no laboratório Tirrell estão desenvolvendo usam E.
coli ou B. subtilis [ambas as bactérias] como o componente vivo. Meu trabalho foi em E. coli e a maneira
como fizemos as amostras de modelos para o nosso estudo foi primeiro cultivar um pequeno número de
células em cultura líquida.
E. coli é muito receptivo ao crescimento em meios líquidos e as células se replicam muito rapidamente
quando estão em uma incubadora controlada. Em seguida, depositamos o E. coli em uma fina
membrana de policarbonato através de filtração e isso deposita uma camada realmente fina, pouco
visível a olho nu. Em seguida, continuamos a cultivá-los na membrana do policarbonato. Eu trabalhei na
escala centimétrica, mas imaginamos que esses materiais seriam capazes de cobrir uma grande área de
superfície e crescer até uma espessura de potencialmente alguns milímetros.
Você pode usar células humanas?
MS: Eu acho que seria mais difícil usar uma linha celular de mamíferos, embora eu não ache que seja
impossível. Geralmente, eles são mais delicados e se dividem mais lentamente do que as células
bacterianas.
E as células vegetais?
Julia Kornfield (JK): Chiara Daraio, da Caltech, está trabalhando no crescimento de células vegetais em
suspensão e usando esse modo de crescimento para capacitá-las a combiná-las de novas maneiras
com outros materiais. Ela ainda não fez isso em um filme, mas há pessoas que fazem. Um dos nossos
colegas Gozde Demirer e está desenvolvendo novas ferramentas para editar o genoma das plantas para
dar-lhes uma função de engenharia desejada e, à medida que isso vem, talvez isso possa polinizar com
os materiais vivos bacterianos. Também seria emocionante ver o que acontece com o fungo.
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Sua equipe implementou recentemente um recurso responsivo à temperatura para melhorar o
desempenho do material vivo. O que inspirou essa modificação? Como funciona esse novo
recurso e como você o implementou?
LX: Como eu disse, trabalhamos com E. coli, que é uma estrela em biologia sintética porque tem sido
bem estudada por muitas décadas e sabemos como engendrar. Éseguro para nós porque cresce dentro
de nossos corpos, mas isso significa que precisamos mantê-los a uma temperatura de 37 graus Celsius.
E. coli realmente se adaptou a esta temperatura, o que é ideal para a sua produção de proteínas e sua
taxa de crescimento.
Se quisermos pegar células de E. coli e usá-las em uma aplicação fora do corpo humano, por exemplo,
como um material de construção vivo, em crescimento e auto-cura, então elas serão expostas a
flutuações de temperatura, tanto dia como noturnas e em uma base sazonal. A preocupação é que, se
as células de E. coli forem expostas a temperaturas externas de 25 graus Celsius, elas crescerão
lentamente. Quando isso acontece, perdemos essas propriedades desejáveis, como ser capaz de
crescer de uma pequena amostra em um material grande, sendo capaz de se auto-cura e até mesmo
apenas a funcionalidade de criar os polímeros que estão formando o material.
Por outro lado, se a E. coli ficasse muito quente, eles começam a perder sua capacidade de produzir
proteínas e, portanto, queríamos ter um caminho para a E. coli sentir quando elas são muito frias, o que
seria na maioria dos climas habitados por humanos e, em seguida, ligar um mecanismo de proteção. A
maneira como implementamos que foi quando as bactérias sentem que estão muito frias, elas produzem
um pigmento preto e que lhes permite absorver energia do sol e aquecer.
MS: Eu só quero mencionar que para a gênese deste projeto, Lealia foi a pessoa perfeita para liderar
esse tipo de trabalho. Depois de se formar em seu subgraduário no MIT, ela levou algum tempo para
trabalhar com uma empresa de materiais de construção sintético, onde se preocupava com a
regulamentação térmica para edifícios inteiros. Era muito natural para ela vir para a Caltech, encontrar-
se com biólogos sintéticos e engenheiros de materiais e, em seguida, começou a trabalhar neste
problema de engenharia de bactérias para fazer a mesma coisa que ela já havia projetado para edifícios
inteiros.
Quanto tempo leva até que esses materiais vivos modificados estejam completamente montados
e prontos para uso?
LX: Na escala de laboratório, estávamos cultivando bactérias no formato de patch sólido para simular o
ambiente de material vivo por até três dias e potencialmente mais. Nós não tivemos a oportunidade de
fazer estudos sobre o crescimento de uma área de superfície muito maior, então eu acho que essa
questão está atualmente sem resposta. Todos os nossos colaboradores também trabalham em um tipo
semelhante de escala de centímetro.
MS: Outra parte do contexto é que este projeto foi financiado pela DARPA originalmente e eles estão
longe de olhar para fora dos agentes cujo trabalho é olhar ao virar da esquina para ver o que está por vir
nas próximas décadas na ciência. Trata-se de desenvolver um conjunto fundamental de capacidades
que, juntamente com outros componentes, permitiria aumentar a maior escala e, em algum momento,
terá aplicações em campo. Neste ponto, trata-se de ser capaz de regular a temperatura para permitir o
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crescimento sustentado. A função desses tipos de células é uma peça de quebra-cabeça realmente
importante que estamos colocando no quebra-cabeça.
JK: Isso ainda é realmente ficção científica, mas uma coisa que você pode imaginar é ter um frasco de
líquido e, em vez de apenas se espalhar um pouco em um pequeno patch, você tem uma técnica que
permite inocular uma grande superfície que poderia crescer em um curto espaço de tempo, como três
dias. Isso é o caminho e não há infraestrutura para sequer demonstrar isso.
Quanto tempo suas bactérias vivem depois que você cria essa camada fina e existem diferentes
maneiras de alimentá-las para manter o material em forma e vivo?
LX: Nós imaginamos que as bactérias estariam sentadas em uma membrana de policarbonato, que é
porosa e permite que nutrientes e água passem, e então temos tubulação [embutida] para trazer
nutrientes frescos e tirar resíduos porque as bactérias estão com fome. Você pode realmente controlar a
taxa de crescimento, restringindo ou adicionando mais nutrientes, de modo que é algo que pode ser
interessante mais tarde. Eles também são bastante saudáveis, então se você começar a morrer de
fome, eles não estão necessariamente mortos imediatamente, o que também é uma característica
agradável.
Percebi que Agar [uma substância gelatinosa que é extraída de algas marinhas convencionalmente
usadas em biologia sintética para cultivar células] não era necessariamente o melhor meio para cultivar
nossas amostras de materiais vivos porque se seca rapidamente sob nossas condições de crescimento.
Descobri que poderíamos usar o meio líquido e depois imitar um sistema circulatório usando a ação
capilar através de uma espuma ou esponja para trazer o meio líquido para a bactéria. Isso ajudou a
reduzir alguns dos problemas que vimos com Agar, onde toda a placa de Petri encolheria e pararia de
fornecer nutrientes para as bactérias.
Nós imaginamos que mesmo apenas usando este sistema de esponja ou espuma, poderíamos ter
nutrientes bombeados para um reservatório e, em seguida, trazidos para as bactérias por esponja e
também bombeados através do fundo. Dessa forma, obtemos alguma separação entre onde os
nutrientes são armazenados e nosso material.
Onde você prevê o uso diário e o que é necessário para alcançar a produção em escala
industrial?
LX: Como Mikhail disse, fomos financiados pela DARPA e eles estão interessados em poder cultivar
materiais em locais remotos. A vantagem do material vivo, como Julia mencionou antes, é que você traz
uma pequena cultura de partida para o seu site, e você pode usar recursos locais para fornecer água e
nutrientes e, em seguida, crescer o seu material especializado a partir desses recursos locais realmente
básicos. Isso seria vantajoso nas forças armadas, por exemplo, já que muitas vezes estão localizados
muito remotamente de partes da civilização. Fora das forças armadas, isso poderia ser muito útil nas
áreas rurais em geral.
MS: Espero que algum dia, talvez daqui a algumas décadas, eu vou fazer retocar a pintura em minha
casa com uma pintura viva, onde essa tinta comeria enferruja e se repararia e faria a casa parecer
bonita, talvez mude de cor durante as estações. Eu acho que isso deve ser, em princípio, é apenas uma
questão de tempo antes de chegarmos lá.
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Quais seriam os custos de produção?
MS: Há desafios com o material vivo porque você precisa fornecê-lo com nutrientes e ser capaz de
aproveitar os nutrientes do ambiente é algo que idealmente também projetaríamos esses materiais,
talvez com caminhos fotossintéticos.
Acho que esse seria o maior custo. A beleza de usar a biologia é que ela cresce, então você pode
começar com um pequeno número de células e fazê-la crescer e se reunir em um material mais
sofisticado. Acho que começar com os materiais biológicos não deve ser tão caro. Seria mais a
manutenção e os nutrientes que seriam potencialmente um custo mais alto.
Há algum desenvolvimento em materiais vivos que você gostaria de ver no futuro?
JK: A ideia de ter temperatura auto-regulada é permitir-se continuar fazendo outro trabalho, então olhar
para o crosstalk entre as funções seria realmente interessante e ver se conferir ou não a capacidade de
manter a temperatura mais uniforme realmente aumenta sua capacidade de fazer melhor alguma outra
função. Seria um próximo passo muito emocionante.
O que significaria para você se seus materiais vivos projetados se tornarem comercialmente
disponíveis?
MS: Pessoalmente, acho que é um pouco cedo para pensar em perspectivas comerciais para esse tipo
de material. Neste ponto, estamos tentando mudar a maneira como as pessoas pensam sobre o que é
possível. Será preciso um pouco mais de trabalho, não apenas de nossos grupos, mas realmente da
comunidade de biologia sintética mais ampla para tornar os materiais vivos projetados uma realidade
comercial comum.
Referência: Julia A. Kornfield, Mikhail G. (tradução) Shapiro, et al., Material vivo com absorção de luz
dependente de temperatura,ciência avançada (2023). DOI: 10.1002/advs.202301730
Crédito da imagem: Deve Wang em Unsplash
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