Les matériaux vivants manufacturés promettent d'aider les efforts en matière de santé humaine, d'énergie et d'assainissement de l'environnement. Désormais, ils peuvent être construits en grand et personnalisés avec moins d'effort.

Les bioscientifiques de l'Université Rice ont introduit des colonies de bactéries artificielles à l'échelle centimétrique, ressemblant à de la boue, qui s'auto-assemblent de bas en haut. Ils peuvent être programmés pour absorber les contaminants de l'environnement ou pour catalyser des réactions biologiques, parmi de nombreuses applications possibles.

La création de matériaux vivants artificiels autonomes, ou ELM, était un objectif de la bioscientifique Caroline Ajo-Franklin bien avant qu'elle ne rejoigne Rice en 2019.

"Nous fabriquons des matériaux à partir de bactéries qui agissent comme du mastic", a déclaré Ajo-Franklin. "L'une des belles choses à ce sujet est sa facilité de fabrication, qui nécessite simplement un peu de mouvement, quelques nutriments et des bactéries."

Une étude publiée cette semaine dans Nature Communications détaille la création par le laboratoire d'ELM flexibles et adaptables utilisant Caulobacter crescentus comme élément de construction biologique. Alors que les bactéries elles-mêmes peuvent facilement être génétiquement modifiées pour divers processus, les concevoir pour s'auto-assembler a été un processus long et compliqué.

Il s'agissait de concevoir des bactéries pour afficher et sécréter la matrice biopolymère qui donne sa forme au matériau. C. crescentus exprime déjà une protéine qui recouvre sa membrane externe comme les écailles d'un serpent. Les chercheurs ont modifié la bactérie pour qu'elle exprime une version de cette protéine, qu'ils appellent BUD (pour bottom-up de novo, comme dans from scratch), avec des caractéristiques non seulement favorables à la formation d'ELM (surnommés BUD-ELM) mais aussi fournissant des étiquettes pour future fonctionnalisation.

Nous voulions prouver qu'il est possible de faire pousser des matériaux à partir de cellules, comme un arbre pousse à partir d'une graine », a déclaré Sara Molinari, chercheuse postdoctorale dans le laboratoire d'Ajo-Franklin et auteur principal de l'étude. « L'aspect transformateur des ELM est qu'ils contiennent des cellules vivantes qui permettent au matériau de s'auto-assembler et de s'auto-réparer en cas de dommage. De plus, ils peuvent être conçus pour exécuter des fonctions non natives, telles que le traitement dynamique de stimuli externes."

Molinari, qui a obtenu son doctorat à Rice dans le laboratoire du bioscientifique Matthew Bennett, a déclaré que BUD-ELM est l'exemple le plus personnalisable d'un ELM macroscopique formé de manière autonome. "Cela montre une combinaison unique de haute performance et de durabilité", a-t-elle déclaré. "Grâce à sa nature modulaire, il pourrait servir de plate-forme pour générer de nombreux matériaux différents."

Selon les chercheurs, les ELM se développent dans un flacon en environ 24 heures. Tout d'abord, une fine peau se forme à l'interface air-eau, ensemençant le matériau. L'agitation constante du flacon encourage la croissance de l'ELM. Une fois qu'il a atteint une taille suffisante, le matériau coule au fond et ne pousse plus.

"Nous avons découvert que le processus d'agitation influence la taille d'un matériau que nous obtenons", a déclaré le co-auteur et étudiant diplômé Robert Tesoriero Jr. "En partie, nous recherchons la gamme optimale de matériaux que nous pouvons obtenir dans un flacon d'environ 250 millimètres. . Actuellement, il a à peu près la taille d'un ongle."

"Parvenir à l'échelle centimétrique avec une cellule dont la taille est inférieure à un micron signifie qu'elles s'organisent collectivement sur quatre ordres de grandeur, environ 10 000 fois plus grandes qu'une seule cellule", a ajouté Molinari.

Elle a déclaré que leurs matériaux fonctionnels sont suffisamment robustes pour survivre dans un pot sur une étagère pendant trois semaines à température ambiante, ce qui signifie qu'ils peuvent être transportés sans réfrigération.

Le laboratoire a prouvé que le BUD-ELM pouvait éliminer avec succès le cadmium d'une solution et était capable d'effectuer une catalyse biologique, en réduisant par voie enzymatique un transporteur d'électrons pour oxyder le glucose.

Étant donné que les BUD-ELM portent des étiquettes pour la fixation, Ajo-Franklin a déclaré qu'il devrait être relativement facile de les modifier pour des applications optiques, électriques, mécaniques, thermiques, de transport et catalytiques.

"Il y a beaucoup d'espace pour jouer, ce qui, je pense, est la partie la plus amusante", a déclaré Tesoriero.

"L'autre grande question est que même si nous aimons Caulobacter crescentus, ce n'est pas l'enfant le plus populaire du quartier", a déclaré Ajo-Franklin. "La plupart des gens n'en ont jamais entendu parler. Nous souhaitons donc vraiment savoir si ces règles que nous avons découvertes chez Caulobacter peuvent être appliquées à d'autres bactéries."

Elle a déclaré que les ELM pourraient être particulièrement utiles pour l'assainissement de l'environnement dans les milieux à faibles ressources. C. crescentus est idéal pour cela car il nécessite moins de nutriments pour se développer que de nombreuses bactéries.

"L'un de mes rêves est d'utiliser le matériau pour éliminer les métaux lourds de l'eau, puis, lorsqu'il atteint la fin de sa durée de vie, en retirer une petite partie et la faire pousser sur place en matériau frais", a déclaré Ajo-Franklin. "Le fait que nous puissions le faire avec un minimum de ressources est vraiment une idée convaincante pour moi."

Les co-auteurs de l'article sont l'étudiant diplômé Swetha Sridhar, le chercheur postdoctoral Rong Cai et le directeur du laboratoire Jayashree Soman de Rice, Kathleen Ryan de l'Université de Californie, Berkeley, et Dong Li et Paul Ashby du Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Californie . Ajo-Franklin est professeur de biosciences et boursier CPRIT en recherche sur le cancer. + Explorer plus loin

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