La contaminación del agua es una preocupación creciente a nivel mundial, con estimación de la investigación que las industrias químicas descargan 300-400 megatones (600-800 mil millones de libras) de desechos industriales en cuerpos de agua cada año.
Como un equipo de científicos de materialesestamos trabajando en un “material vivo” diseñado que puede transformar los contaminantes de tintes químicos del industria textil en sustancias inofensivas.
La contaminación del agua Es una cuestión ambiental y humanitaria que puede afectar tanto a los ecosistemas como a la salud humana. Tenemos la esperanza de que los materiales que estamos desarrollando puedan ser una herramienta disponible para ayudar a combatir este problema.
Ingeniería de un material vivo
El “material vivo diseñado“Nuestro equipo ha estado trabajando en contiene bacterias programadas incrustado en un material de hidrogel suave. Publicamos por primera vez un artículo que muestra la eficacia potencial de este material en Comunicaciones de la naturaleza en agosto de 2023.
El hidrogel que forma la base del material tiene propiedades similares a la gelatina: es suave y está hecha principalmente de agua. Nuestro particular hidrogel está elaborado a partir de un material natural y biodegradable. polímero a base de algas llamado alginatoun ingrediente común en algunos alimentos.
El hidrogel de alginato proporciona un soporte físico sólido para las células bacterianas, similar a cómo Los tejidos sostienen las células. en el cuerpo humano. Elegimos intencionalmente este material para que las bacterias que incorporamos pudieran crecer y florecer.
(Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, CC BY-NC-ND) La forma de rejilla del material ayuda a las bacterias a absorber dióxido de carbono.
Elegimos el alginato a base de algas como material base porque es poroso y puede retener agua. También permite la células bacterianas para absorber nutrientes del entorno circundante.
Después de preparar el hidrogel, incorporamos bacterias fotosintéticas (o captadoras de luz solar) llamadas cianobacterias en el gel.
Las cianobacterias incrustadas en el material aún necesitaban absorber luz y dióxido de carbono. para realizar la fotosíntesis, lo que los mantiene vivos. El hidrogel era lo suficientemente poroso para permitir eso, pero para que la configuración fuera lo más eficiente posible, impreso en 3D el gel en formas personalizadas: rejillas y panales. Estas estructuras tienen una relación superficie-volumen más alta que permite que entre más luz, CO₂ y nutrientes al material.
Las células estaban felices en esa geometría. Observamos un mayor crecimiento y densidad celular a lo largo del tiempo en los geles de alginato en las estructuras de rejilla o de panal en comparación con la forma de disco predeterminada.
tinte de limpieza
Como todas las demás bacterias, las cianobacterias tienen diferentes circuitos genéticos, que le dicen a las células qué productos producir. Nuestro equipo genéticamente modificado la bacteriana ADN para que las células crearan una enzima específica llamada lacasa.
La enzima lacasa producida por las cianobacterias funciona realizando una reacción química con un contaminante que lo transforma en una forma que ya no es funcional. Al romper los enlaces químicos, se puede hacer que un contaminante tóxico no sea tóxico. La enzima se regenera al final de la reacción y se activa para completar más reacciones.
Una vez que incrustamos estas cianobacterias productoras de lacasas en el hidrogel de alginato, las pusimos en una solución compuesta de contaminante colorante industrial para ver si podían limpiar el tinte. En esta prueba, queríamos ver si nuestro material podía cambiar la estructura del tinte para que pasara de estar coloreado a incoloro. Pero, en otros casos, el material podría potencialmente cambiar una estructura química para pasar de tóxica a no tóxica.
El tinte que usamos Índigo carmín, es un contaminante común de aguas residuales industriales que generalmente se encuentra en el agua cerca de las plantas textiles; es el pigmento principal de los pantalones vaqueros. Descubrimos que nuestro material quitó todo el color de la mayor parte del tinte en aproximadamente 10 días.
Estas son buenas noticias, pero queríamos asegurarnos de que nuestro material no agregara desechos al agua contaminada al lixiviar células bacterianas. Entonces, también diseñamos las bacterias para que produjeran una proteína que podría dañar la membrana celular de las bacterias: un interruptor de apagado programable.
El circuito genético fue programado para responder a una sustancia química inofensiva, llamada teofilina, que se encuentra comúnmente en la cafeína, el té y el chocolate. Añadiendo teofilina podríamos destruir las células bacterianas a voluntad.
El campo de los materiales vivos diseñados todavía está en desarrollo, pero esto sólo significa que hay muchas oportunidades para desarrollar nuevos materiales con componentes tanto vivos como no vivos.
Jonathan K. Pokorski es profesor de Nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego. Debika Datta es becaria postdoctoral en Nanoingeniería en la Universidad de California, San Diego. Este artículo se republica desde La conversación debajo de Licencia Creative Commons. Leer el artículo original.