01 de abril de 2024 (Proyector Nanowerk) Ante los crecientes desafíos medioambientales, los científicos de todo el mundo buscan soluciones sostenibles. La ingeniería de materiales vivos (compuestos que incorporan organismos vivos) es muy prometedora al reducir nuestra dependencia de materiales derivados de combustibles fósiles y aprovechar las propiedades únicas de los sistemas vivos.

Revolucionando la ciencia de los materiales con organismos vivos

Los materiales vivos se inspiran en el mundo natural, donde las plantas, los animales y los microbios fabrican habitualmente materiales funcionales como parte de su fisiología normal. Por ejemplo, los árboles producen tejido leñoso compuesto de fibras rígidas de celulosa unidas por un “pegamento” de lignina, mientras que los mejillones marinos secretan adhesivos submarinos y algunas bacterias generan electricidad. Estos sistemas vivos exhiben capacidades distintivas como el autoensamblaje, la autocuración, la capacidad de respuesta y la biosíntesis que son difíciles de lograr con materiales sintéticos. El campo de la biología sintética ofrece herramientas para reprogramar organismos a nivel genético, lo que permite a los científicos diseñar materiales vivos con propiedades personalizadas. Al introducir circuitos genéticos artificiales, se pueden diseñar microbios para detectar señales del entorno y fabricar productos definidos por el usuario en consecuencia. Los científicos de materiales también están explorando cómo integrar componentes vivos con estructuras no vivas como hidrogeles y dispositivos electrónicos. Los "materiales vivos híbridos" resultantes tienen como objetivo aumentar la funcionalidad de los organismos con la robustez y la capacidad de fabricación de los componentes sintéticos. Varias empresas emergentes están comercializando tecnologías de materiales primitivos, pero siguen acosadas por desafíos como los altos costos de producción y una resistencia mecánica inferior en comparación con los materiales convencionales. Sin embargo, si se pueden superar estos obstáculos, algún día los materiales vivos podrían reemplazar a los materiales convencionales insostenibles en aplicaciones que van desde el embalaje hasta la construcción de infraestructuras.

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Aprendiendo de la naturaleza: obras maestras evolutivas en diseño de materiales

Los organismos vivos producen de forma natural una asombrosa variedad de materiales funcionales utilizando proteínas, polisacáridos y minerales. Por ejemplo, las plantas leñosas biosintetizan lignina, celulosa y hemicelulosa para construir troncos de árboles resistentes, mientras que los mejillones marinos secretan proteínas adhesivas bajo el agua para adherirse a las superficies. Lo más intrigante es que estos materiales vivos exhiben propiedades dinámicas de las que carecen sus homólogos sintéticos, como la capacidad de autoensamblarse, autocurarse después de una lesión, adaptarse a estímulos ambientales y experimentar una autorrenovación continua. El campo de los materiales bioinspirados pretende imitar dichas estructuras naturales, pero replicar sus atributos vivientes sigue siendo un desafío. Ahora, un enfoque emergente es diseñar los propios organismos para que sirvan como “fábricas” microbianas para producir materiales funcionales. Como expertos en síntesis bioquímica después de miles de millones de años de evolución, las células vivas ofrecen potencialmente una forma sostenible de fabricar una enorme diversidad de biopolímeros personalizados. Los investigadores clasifican los sistemas de materiales vivos según sus diseños:

• Materiales vivos autoorganizados.: Construido únicamente a partir de componentes vivos como bacterias, hongos o células de mamíferos modificados. Su objetivo es recapitular el autoensamblaje natural y los comportamientos ambientalmente sensibles.
• Materiales vivos híbridos: Fusionar componentes vivos con estructuras abióticas como hidrogeles y dispositivos electrónicos. Las partes no vivas mejoran la capacidad de fabricación y aumentan la funcionalidad de los organismos incrustados.

El zapato conceptual de Adidas, Stan Smith Mylo™, utiliza materiales derivados de hongos. (Imagen: Adidas)

Programación de materiales vivos mediante biología sintética.

El joven campo de la biología sintética proporciona un conjunto de herramientas para reprogramar genéticamente organismos utilizando principios de modularidad, estandarización y modelado. Utilizando bibliotecas de partes de ADN bien caracterizadas que codifican funciones genéticas básicas, los biólogos sintéticos pueden introducir circuitos genéticos artificiales para dotar a las células de capacidades similares a las de las computadoras. Por ejemplo, las redes genéticas diseñadas permiten a los microbios detectar señales químicas, realizar cálculos lógicos o sincronizar sus comportamientos entre poblaciones. Aprovechando la biología sintética, los investigadores están explorando varias estrategias para desarrollar materiales vivos autoorganizados con funcionalidades programadas:

• Personalización de bloques de construcción de materiales: Las proteínas o polisacáridos secretados por células se pueden funcionalizar fusionándolos con péptidos o proteínas utilizando tecnología de ADN recombinante. Por ejemplo, E. coli Las proteínas de la matriz de biopelículas se han modificado para permitir la absorción de metales pesados ​​y la adhesión bajo el agua.
• Diseño de circuitos genéticos que responden a estímulos.: La introducción de circuitos que detectan señales como toxinas, luz o campos eléctricos permite que los materiales vivos detecten y respondan a los entornos de forma dinámica.
• Ingeniería de comunicación célula-célula.: La incorporación de módulos de comunicación, como la detección de quórum, permite a las poblaciones de células diseñadas autorregular colectivamente la fabricación y el rendimiento del material.
• Construyendo consorcios microbianos artificiales: Dividir tareas entre diferentes poblaciones permite funciones materiales más complejas al distribuir la carga metabólica.

Más allá de los ejemplos mencionados, la naturaleza ofrece un tesoro de inspiración. La seda de araña cuenta con una fuerza y ​​flexibilidad notables, mientras que el hueso demuestra capacidades de autorregeneración. Los investigadores están explorando cómo imitar estas propiedades en materiales de ingeniería. Por ejemplo, el micelio, la estructura similar a la raíz de los hongos, se está utilizando para crear envases y materiales de construcción sostenibles. Se están incorporando bacterias capaces de producir carbonato de calcio al hormigón autocurativo que puede reparar sus propias grietas. Los científicos incluso están diseñando tejidos que contienen microbios que cambian de color en respuesta a la contaminación o la temperatura.

Uniendo mundos: la sinergia de materiales híbridos vivos y no vivos

Aunque están compuestos exclusivamente de vida, los materiales fabricados por organismos diseñados actualmente adolecen de limitaciones como una resistencia mecánica débil. Para abordar esto, los investigadores están explorando sistemas híbridos que combinan células vivas con componentes abióticos robustos mientras aprovechan las técnicas de fabricación de la ciencia de los materiales. Por ejemplo, técnicas como la impresión 3D y microfluidos permitir la encapsulación controlada de células vivas dentro de hidrogeles poliméricos personalizables. Estos geles proporcionan un entorno acuático suave para mantener la viabilidad celular y al mismo tiempo mejorar las características físicas del material híbrido general. En otros casos, los investigadores han incorporado componentes funcionales no vivos que hacen sinergia con el metabolismo microbiano para permitir nuevas capacidades materiales. Los ejemplos incluyen nanopartículas semiconductoras que recolectan energía luminosa para generar CO.2-reparación de bacterias y sensores electrónicos que interactúan con circuitos genéticos diseñados.

Aplicaciones del mundo real de los materiales vivos

El poder transformador de los materiales vivos no se limita a las mesas de laboratorio o a los estudios teóricos; es una realidad que se desarrolla en diversos sectores alrededor del mundo. Estas aplicaciones del mundo real demuestran cómo la integración innovadora de la biología con los principios de la ingeniería está haciendo que las soluciones sostenibles sean tangibles y accesibles. Desde edificios que se reparan solos hasta textiles que reaccionan al cuerpo humano y materiales de embalaje cultivados a partir de raíces de hongos, los estudios de caso a continuación destacan productos y tecnologías reales que ya están teniendo un impacto. Al cerrar la brecha entre la sabiduría de la naturaleza y la creatividad humana, estos ejemplos no sólo subrayan la practicidad de los materiales vivos sino también su potencial para alterar significativamente las industrias, mejorar los resultados ambientales y mejorar la vida diaria. Estructuras arquitectónicas vivas El instalación de hy-fi, creado por el grupo arquitectónico The Living, ejemplifica el potencial de los materiales de bioingeniería en la construcción. Construida con ladrillos biodegradables hechos de tallos de maíz y micelio vivo, la estructura demuestra cómo se pueden utilizar materiales vivos para crear proyectos arquitectónicos sostenibles y compostables que no comprometen la resistencia ni el diseño, insinuando el futuro de la construcción ecológica. Vista de instalación de Hy-Fi. (Imagen: MoMA) Materiales de construcción ecológicos a partir de micelio El micelio, la estructura de la raíz de los hongos, está a la vanguardia de la innovación de materiales sostenibles, con empresas como MycoWorks y Diseño ecológico liderando el camino. Estas empresas aprovechan los procesos de crecimiento natural del micelio para crear materiales que no sólo son fuertes y duraderos sino también completamente biodegradables. Al alimentar el micelio con desechos agrícolas, lo transforman en productos que van desde alternativas al cuero hasta materiales de embalaje y aislamiento, ofreciendo un ejemplo convincente de los principios de la economía circular en acción. Concreto autocurativo Concreto autocurativo Basilisco representa un avance revolucionario en materiales de construcción. Este concreto innovador incorpora bacterias específicas que, cuando se exponen al agua, se activan para llenar las grietas con piedra caliza, esencialmente curando el concreto. Este proceso extiende significativamente la vida útil del material, reduce los costos de mantenimiento y ofrece una alternativa ecológica al reducir potencialmente la huella de carbono general de la industria del concreto. Producción de bioplásticos AirCarbon de Newlight Technologies aborda el doble desafío de la contaminación plástica y el cambio climático mediante la utilización de bacterias que se alimentan de metano para producir una alternativa plástica biodegradable. Este proceso captura metano (un potente gas de efecto invernadero) del aire y lo convierte en un material que puede usarse para una amplia gama de productos, desde artículos de moda hasta envases de alimentos, mostrando un enfoque novedoso para reducir las emisiones de carbono y los desechos. Recubrimientos vivos de ingeniería Agricultura índigo utiliza recubrimientos microbianos de semillas para mejorar la salud y el rendimiento de los cultivos de manera sostenible. Estos recubrimientos contienen bacterias beneficiosas que mejoran la resiliencia de las plantas contra la sequía y las plagas, reduciendo la necesidad de fertilizantes y pesticidas químicos. Este enfoque innovador no solo apoya las prácticas agrícolas sostenibles sino que también resalta el potencial de los materiales vivos para contribuir a la seguridad alimentaria mundial. Biosensores portátiles Laboratorio de materia morphing es pionera en bioLogic, la integración de materiales vivos en la industria textil con su tejido sensible, que incorpora células vivas de bacterias natto (Bacillus subtilis) como nanoactuador sensible a la humedad. Las solapas de la tela se abren y cierran en respuesta al sudor del usuario, proporcionando ventilación natural. Esta innovación textil inteligente abre nuevas posibilidades para la tecnología portátil, combinando comodidad, funcionalidad y sostenibilidad.

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Descubriendo el potencial de sostenibilidad de los materiales vivos

Sus defensores creen que los materiales vivos podrían ofrecer varios beneficios de sostenibilidad en comparación con la fabricación convencional, entre ellos:

• Utilizar microbios genéticamente modificados como fábricas de células para producir bioplásticos, sustitutos del cuero y pigmentos renovables. Esto reduce la dependencia de materias primas petroquímicas.
• Emplear organismos para la biorremediación activa de contaminantes y residuos. Los microbios diseñados son prometedores para capturar carbono del aire o degradar desechos plásticos.
• Diseño de recubrimientos vivos probióticos que prolongan la vida útil de los alimentos, reduciendo el deterioro y el desperdicio.
• Usar bacterias fijadoras de nitrógeno o depositantes de minerales como fertilizantes a base de microbios para una agricultura más sostenible, reduciendo los requisitos de fertilizantes sintéticos.

Si bien los materiales vivos son inmensamente prometedores, es necesario superar varios obstáculos antes de su adopción generalizada. Los costes de producción superan actualmente a muchos materiales convencionales. El uso de organismos genéticamente modificados plantea preocupaciones en materia de bioseguridad, lo que requiere una contención rigurosa y evaluaciones de riesgos ambientales. La percepción pública de la biología sintética varía y una comunicación clara sobre los beneficios y riesgos potenciales será crucial. Finalmente, la ingeniería de materiales vivos exige un enfoque verdaderamente interdisciplinario, que fomente colaboraciones entre campos que tradicionalmente no interactúan. No obstante, los materiales vivos representan una interesante intersección entre la biología sintética y la ciencia de los materiales. Con el progreso continuo en la ingeniería de células y la gestión de comunidades microbianas, las tecnologías vivas algún día podrán proporcionar soluciones sostenibles para la fabricación de productos químicos, el tratamiento de aguas residuales, el secuestro de carbono del aire y mucho más. Pero se necesitarán grandes avances en este campo para hacer realidad esta visión futurista. En conclusión, los materiales vivos diseñados representan un enfoque innovador para la fabricación sostenible y ofrecen una alternativa convincente a los materiales sintéticos convencionales. Al aprovechar el poder de los organismos vivos e integrarlos con técnicas de ingeniería avanzadas, los científicos e innovadores están creando materiales que exhiben propiedades notables como el autoensamblaje, la autocuración y la adaptabilidad. Desde materiales de construcción ecológicos cultivados a partir de micelio hasta hormigón autorreparable y plásticos biodegradables producidos por bacterias, las aplicaciones del mundo real de los materiales vivos demuestran su potencial para revolucionar las industrias, reducir el impacto ambiental y mejorar nuestra vida diaria. A medida que el campo continúa progresando, con avances en la biología sintética y colaboraciones interdisciplinarias, los materiales vivos están preparados para desempeñar un papel crucial en la configuración de un futuro más sostenible. Sin embargo, para hacer realidad este potencial será necesario abordar desafíos como los costos de producción, las preocupaciones sobre la bioseguridad y la percepción pública. No obstante, la promesa de los materiales vivos es innegable y su desarrollo representa una frontera apasionante en la búsqueda de soluciones innovadoras a los desafíos globales de sostenibilidad.

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By

Michael
Berger

– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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