Hay miles de tipos de bacterias, organismos microscópicos unicelulares que se encuentran entre las primeras formas de vida conocidas en la Tierra y que viven en todos los entornos posibles en todo el mundo. Pueden estar en el aire o encontrarse en el agua, las plantas, el suelo, los animales e incluso los seres humanos, donde algunas causan enfermedades peligrosas como la salmonela, la neumonía, la meningitis, la tuberculosis, el ántrax, el tétanos y el botulismo.
Sin embargo, muchas bacterias, incluidas las que componen el microbioma del intestino humano, hacen el bien más que el mal. Las bacterias pueden incluso convertirse en pequeñas fábricas que fabrican productos necesarios.
Ahora, investigadores de la Facultad de Biotecnología e Ingeniería Alimentaria del Instituto Tecnológico Technion-Israel de Haifa han desarrollado “bacterias biónicas” que tienen muchas aplicaciones potenciales en la industria.
Entre esas aplicaciones están la liberación selectiva de fármacos biológicos en el cuerpo mediante luz externa y otros usos médicos precisos, la detección de sustancias peligrosas en el medio ambiente y la producción de mejores combustibles y otros compuestos.
El estudio ha sido dirigido por el profesor adjunto Omer Yehezkeli y el estudiante de doctorado Oren Bachar, y ha contado con la colaboración del estudiante de doctorado Matan Meirovich y la estudiante de máster Yara Zeibaq. Su trabajo acaba de aparecer en la edición internacional de Angewandte Chemie con el título “Protein-Mediated Biosynthesis of Semiconductor Nanocrystals for Photocatalytic NADPH Regeneration and Chiral Amine Production”. La revista, editada por la Sociedad Química Alemana, lo calificó oficialmente de “hot paper”.
“Mi grupo de investigación se ocupa de la interfaz entre la ingeniería y la biotecnología a nivel de nanoescala”, dijo Yehezkeli. “Nuestro objetivo es difuminar las fronteras actuales entre las distintas disciplinas y, sobre todo, entre los materiales nanométricos y los sistemas biológicos, como las bacterias. En nuestra investigación, utilizamos las propiedades únicas de las partículas a nanoescala, por un lado, y la enorme selectividad de los sistemas biológicos, por otro, para crear sistemas biónicos que actúen de forma sinérgica”.
Las partículas semiconductoras a nanoescala suelen producirse en procesos químicos que exigen altas temperaturas y disolventes orgánicos. En el nuevo estudio del Technion, los investigadores lograron crear -mediante proteínas manipuladas- un entorno que hace posible el crecimiento de partículas nanométricas en condiciones biológicas y a temperatura ambiente. A su vez, las nanopartículas crecidas pueden dar lugar a procesos de componentes biológicos inducidos por la luz.
“El uso de proteínas manipuladas para el autocrecimiento de nanomateriales es una estrategia prometedora que abre nuevos horizontes científicos para combinar la materia inanimada y la viva”, añadió Yehezkeli. En el estudio actual, los investigadores demostraron el uso de proteínas manipuladas para hacer crecer nanopartículas de sulfuro de cadmio (CdS) que son capaces de reciclar el dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina (NADPH) con la radiación de la luz.
“Se trata de un donante de electrones esencial en todos los organismos que proporciona el poder reductor para impulsar numerosas reacciones, incluidas las responsables de la biosíntesis de los principales componentes celulares y de muchos productos en biotecnología con radiación luminosa. El NADPH es crucial en muchos procesos enzimáticos y, por tanto, su generación es deseable”, explicó Yehezkeli.
Las nanopartículas de CdS tienen aplicaciones como un excelente revelador fotográfico para la detección de cánceres y otras enfermedades, y en el tratamiento de células cancerosas. La actividad biológica antibacteriana y antifúngica sobre diversas bacterias y hongos de origen alimentario también puede estudiarse con el uso de nanopartículas de CdS.
Las enzimas son un componente biológico común que interviene en todas las funciones de las células vivas. Miles de millones de años de evolución han conducido al desarrollo de un amplio espectro de enzimas responsables de las muchas y variadas funciones de la célula, dijo Yehezkeli.
En su estudio, los investigadores demostraron que el NADPH podía producirse (reciclarse) utilizando la proteína modificada genéticamente, compuesta por 12 subunidades repetitivas que forman una estructura similar a un donut con un “agujero” de tres nanómetros (tres mil millonésimas de metro de diámetro).
“Se trata de una demostración preliminar de la conexión directa de la materia inanimada [abiótica] con la materia viva [biótica] y de una plataforma para su funcionamiento de una forma que no existe en la naturaleza”, concluyó Yehezkeli.
“La tecnología que hemos desarrollado permite crear componentes híbridos que conectan estos dos tipos de materiales en una sola unidad, y ya estamos trabajando en células vivas totalmente integradas con resultados iniciales prometedores”.
“Creemos que, más allá del éxito tecnológico específico en la producción de NADPH y [varios otros] materiales, hay pruebas de la viabilidad de un nuevo paradigma que puede contribuir en gran medida a mejorar el rendimiento en muchas áreas, incluyendo la energía, la medicina y el medio ambiente”.
