Bioimpressão de bactérias para aplicações tecnológicas

Os biofilmes produzidos por bactérias são compostos por uma substância gelatinosa contendo, principalmente, açúcares.

Bactérias produzindo biofilme [Fonte: Google images]

Esses biofilmes atuam como proteção a comunidade bacteriana contra a falta de nutrientes, a ação de antibióticos, agentes bactericidas e diversos outros tipos de agressões. Podendo aderir em inúmeros tipos de superfície, tanto abióticas (sem vida) quanto bióticas (com vida).


Os biofilmes podem ser extremamente resistentes devido justamente a comunidade bacteriana que os forma, em conjunto com os compostos que elas secretam e também o ambiente no qual estão inseridas. Um exemplo dessa interação, que ocorre no interior de biofilmes, é a transferência de material genético entre os microrganismos para tornarem-se mais resistentes. Na indústria, por exemplo, os biofilmes são usados para remediar hidrocarbonetos, recuperar metais críticos, remover cracas de navios e como biosensores para uma variedade de produtos químicos, naturais e artificiais.


Com o objetivo de utilizar as propriedades desses biofilmes para aplicações tecnológicas, um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, localizado na Califórnia, desenvolveu uma técnica para bioimprimir bactérias vivas em padrões controlados, objetivando o seu uso em diversas frentes, tais como; limpeza de águas residuais, agentes anticorrosivos, biosensores, biocatálise, biorremediação e até mesmo detecção de urânio!


O estado da arte: Bioimpressão de bactérias [Fonte:Thomas Reason/LLNL]

Como funciona a técnica?


A produção dos biofilmes ocorreu através de uma bioimpressora específica para a bioimpressão de microrganismos, desenvolvida pelo próprio grupo de pesquisa. O processo de bioimpressão foi baseado na estereolitografia.

Bioimpressão de bactérias utilizado estereolitografia [Retirado de Dubbin et al., 2021]

A estereolitografia é uma técnica que utiliza luz para solidificar uma resina fotossensível e permite a construção de arquiteturas em 3D mais complexas. Dessa forma, a técnica da equipe consistiu em adicionar as bactérias (E. coli) em uma bioresina fotossensível e, através de luz LED, bioimprimir os arcabouços em 3D.


A bioimpressora desenvolvida, consegue alcançar espessuras que variam de 10 micrômetros a > 5 milímetros e pode ser uma alternativa a bioimpressão por extrusão, uma vez que a resolução desta pode ser insuficiente para bioimprimir os biofilmes, que podem medir entre 3-1000 micrômetros.


(A) Bioimpressora. (B) Conceito da técnica. (C) Bactérias bioimpressas. [Retirado de Dubbin et al., 2021]

Eles demonstraram que os biofilmes bioimpressos podem auxiliar na extração de metais de terras raras. Também demonstraram como a geometria influencia o desempenho dos materiais bioimpressos. Em um conjunto de experimentos, os pesquisadores compararam a recuperação de metais de terras raras em diferentes padrões bioimpressos e observaram que as bactérias bioimpressas em uma grade 3D podem absorver os íons metálicos muito mais rapidamente do que os hidrogéis convencionais. As terras raras são materiais de difícil extração, possuindo propriedades químicas e físicas, que são utilizadas em diversos processos tecnológicos, como em supercondutores e catalisadores. Logo, ter um método otimizado e de baixo custo para a sua extração é essencial.


Bactérias bioimpressas em geometrias específicas apresentam respostas otimizadas. [Retirado de Dubbin et al., 2021]

Os pesquisadores também bioimprimiram a bactéria C. crescentus e testaram a sua capacidade como biosensor (detector) de urânio. Essas bactérias, quando em contato com urânio, emitem fluorescência. Foi visto que, as bactérias bioimpressas em uma geometria cúbica, apresentaram fluorescência significativamente maior em comparação com o grupo controle, na presença de urânio. O urânio é usado em muitas aplicações, desde combustível para fontes de energia nuclear a radioisótopos para aplicação médica. Apesar de seu uso comum, o urânio é tóxico como radioisótopo e metal pesado. Logo, a sua liberação acidental no meio ambiente representa uma ameaça à saúde humana e, portanto, ter alternativas de biosensores para a sua detecção se faz importante.


A capacidade de bioimprimir microrganismos em 3D permitirá que os cientistas observem melhor como as bactérias funcionam em seu habitat natural e investiguem tecnologias como a eletrossíntese microbiana, na qual bactérias eletrotróficas (organismos que podem obter sua energia de uma fonte elétrica) convertem o excesso de eletricidade durante as horas de pico para produzir biocombustíveis e bioquímicos. De fato, esta tecnologia abre portas para o desenvolvimento de biofilmes artificiais, possuindo geometrias definidas e com baixo custo de fabricação


Perspectivas


Os pesquisadores continuam a trabalhar no desenvolvimento de redes 3D mais complexas e na criação de novas bioresinas com melhor printabilidade e desempenho biológico. Eles estão avaliando materiais condutores, como nanotubos de carbono e hidrogéis, para transportar elétrons. Assim como bactérias capazes de aumentar a eficiência em processos de eletrossíntese.


A capacidade de otimizar processos, de reduzir a poluição e de termos materiais com propriedades completamente novas, tudo isso já começa a fazer parte da nossa realidade! E você, já pensou nas possibilidades que a Bioimpressão abre para um futuro próximo?


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Referência

DUBBIN, Karen; DONG, Ziye; PARK, Dan M.; ALVARADO, Javier; SU, Jimmy; WASSON, Elisa; ROBERTSON, Claire; JACKSON, Julie; BOSE, Arpita; MOYA, Monica L.. Projection Microstereolithographic Microbial Bioprinting for Engineered Biofilms. Nano Letters, [S.L.], v. 21, n. 3, p. 1352-1359, 28 jan. 2021. American Chemical Society (ACS). http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04100.