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A poluição da água é uma preocupação crescente a nível mundial, com estudos a estimar que as indústrias químicas descarregam 300-400 megatoneladas (600-800 mil milhões de libras) de resíduos industriais em massas de água todos os anos.
Como uma equipa de cientistas de materiais, estamos a trabalhar num “material vivo” concebido que poderá ser capaz de transformar corantes químicos poluentes provenientes da indústria têxtil em substâncias inofensivas.
A poluição da água é uma questão ambiental e humanitária que pode afetar tanto os ecossistemas como a saúde humana. Temos esperança de que os materiais que estamos desenvolvendo possam ser uma ferramenta disponível para ajudar a combater esse problema.
Projetando um material vivo
O “material vivo projetado” em que nossa equipe tem trabalhado contém bactérias programadas incorporadas em um material de hidrogel macio. Publicamos pela primeira vez um artigo mostrando a eficácia potencial deste material na Nature Communications em agosto de 2023.
O hidrogel que forma a base do material tem propriedades semelhantes às da gelatina – é macio e feito principalmente de água. Nosso hidrogel específico é feito de um polímero natural e biodegradável à base de algas marinhas chamado alginato, um ingrediente comum em alguns alimentos.
O hidrogel de alginato fornece um suporte físico sólido para as células bacterianas, semelhante à forma como os tecidos sustentam as células do corpo humano. Escolhemos intencionalmente este material para que as bactérias que incorporamos pudessem crescer e florescer.
David Baillot / Escola de Engenharia UC San Diego Jacobs, CC BY-NC-ND
Escolhemos o alginato à base de algas marinhas como material de base porque é poroso e pode reter água. Também permite que as células bacterianas absorvam nutrientes do ambiente circundante.
Depois de prepararmos o hidrogel, incorporamos no gel bactérias fotossintéticas – ou captadoras de luz solar – chamadas cianobactérias.
As cianobactérias embutidas no material ainda precisavam absorver luz e dióxido de carbono para realizar a fotossíntese, o que as mantém vivas. O hidrogel era poroso o suficiente para permitir isso, mas para tornar a configuração o mais eficiente possível, imprimimos o gel em 3D em formatos personalizados – grades e favos de mel. Essas estruturas têm uma relação superfície-volume mais alta que permite que mais luz, CO₂ e nutrientes entrem no material.
As células ficaram felizes nessa geometria. Observamos maior crescimento e densidade celular ao longo do tempo nos géis de alginato na grade ou nas estruturas em favo de mel quando comparados com o formato de disco padrão.
Limpando a tintura
Como todas as outras bactérias, as cianobactérias possuem circuitos genéticos diferentes, que informam às células quais resultados devem ser produzidos. Nossa equipe projetou geneticamente o DNA bacteriano para que as células criassem uma enzima específica chamada lacase.
A enzima lacase produzida pelas cianobactérias atua realizando uma reação química com um poluente que o transforma em uma forma que não é mais funcional. Ao quebrar as ligações químicas, pode tornar um poluente tóxico não tóxico. A enzima é regenerada no final da reação e sai para completar mais reações.
Uma vez incorporadas estas cianobactérias criadoras de lacase no hidrogel de alginato, colocámo-las numa solução composta por um corante poluente industrial para ver se conseguiam limpar o corante. Neste teste, queríamos ver se nosso material poderia alterar a estrutura do corante para que ele passasse de colorido a incolor. Mas, em outros casos, o material poderia potencialmente alterar uma estrutura química para passar de tóxico a não tóxico.
O corante que usamos, índigo carmim, é um poluente comum em águas residuais industriais, geralmente encontrado na água perto de fábricas têxteis – é o principal pigmento em jeans. Descobrimos que nosso material retirou toda a cor da maior parte da tinta em cerca de 10 dias.
Esta é uma boa notícia, mas queríamos ter a certeza de que o nosso material não estava a adicionar resíduos à água poluída através da lixiviação de células bacterianas. Portanto, também projetamos a bactéria para produzir uma proteína que poderia danificar a membrana celular da bactéria – um interruptor de eliminação programável.
O circuito genético foi programado para responder a uma substância química inofensiva, chamada teofilina, comumente encontrada na cafeína, no chá e no chocolate. Ao adicionar teofilina, poderíamos destruir células bacterianas à vontade.
O campo dos materiais vivos projetados ainda está em desenvolvimento, mas isso significa apenas que há muitas oportunidades para desenvolver novos materiais com componentes vivos e não vivos.
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