01 de abril de 2024 (Destaque do Nanowerk) Confrontados com os crescentes desafios ambientais, os cientistas de todo o mundo procuram soluções sustentáveis. A engenharia de materiais vivos – compósitos que incorporam organismos vivos – oferece uma grande promessa ao reduzir a nossa dependência de materiais derivados de combustíveis fósseis e ao aproveitar as propriedades únicas dos sistemas vivos.

Revolucionando a Ciência dos Materiais com Organismos Vivos

Os materiais vivos inspiram-se no mundo natural, onde plantas, animais e micróbios fabricam rotineiramente materiais funcionais como parte da sua fisiologia normal. Por exemplo, as árvores produzem tecido lenhoso composto por fibras rígidas de celulose unidas por “cola” de lenhina, enquanto os mexilhões marinhos segregam adesivos subaquáticos e algumas bactérias geram eletricidade. Esses sistemas vivos exibem capacidades distintas, como automontagem, autocura, capacidade de resposta e biossíntese, que são difíceis de alcançar com materiais sintéticos. O campo da biologia sintética oferece ferramentas para reprogramar organismos a nível genético, permitindo aos cientistas projetar materiais vivos com propriedades personalizadas. Ao introduzir circuitos genéticos artificiais, os micróbios podem ser projetados para detectar sinais do ambiente e fabricar produtos definidos pelo usuário de acordo. Os cientistas de materiais também estão explorando como integrar componentes vivos com estruturas não vivas, como hidrogéis e dispositivos eletrônicos. Os “materiais vivos híbridos” resultantes visam aumentar a funcionalidade dos organismos com a robustez e capacidade de fabricação de componentes sintéticos. Várias startups estão agora a comercializar tecnologias iniciais de materiais vivos, mas continuam a enfrentar desafios como elevados custos de produção e resistência mecânica inferior em comparação com materiais convencionais. No entanto, se estes obstáculos puderem ser ultrapassados, os materiais vivos poderão um dia substituir os materiais convencionais insustentáveis ​​em aplicações que vão desde embalagens à construção de infra-estruturas.

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Aprendendo com a natureza: obras-primas evolucionárias em design de materiais

Os organismos vivos produzem naturalmente uma incrível variedade de materiais funcionais usando proteínas, polissacarídeos e minerais. Por exemplo, as plantas lenhosas biossintetizam lignina, celulose e hemicelulose para construir troncos de árvores resistentes, enquanto os mexilhões marinhos secretam proteínas adesivas subaquáticas para fixarem-se às superfícies. O mais intrigante é que esses materiais vivos exibem propriedades dinâmicas que faltam aos equivalentes sintéticos, como a capacidade de automontagem, autocura após lesão, adaptação a estímulos ambientais e auto-renovação contínua. O campo dos materiais bioinspirados visa imitar essas estruturas naturais, mas replicar os seus atributos vivos continua a ser um desafio. Agora, uma abordagem emergente é projetar os próprios organismos para servirem como “fábricas” microbianas para a produção de materiais funcionais. Como especialistas em síntese bioquímica após milhares de milhões de anos de evolução, as células vivas oferecem potencialmente uma forma sustentável de fabricar uma enorme diversidade de biopolímeros personalizados. Os pesquisadores categorizam os sistemas de materiais vivos com base em seus projetos:

• Materiais vivos auto-organizáveis: Construído exclusivamente a partir de componentes vivos, como bactérias, fungos ou células de mamíferos modificados. Eles visam recapitular a automontagem natural e os comportamentos ambientalmente responsivos.
• Materiais vivos híbridos: Mesclar componentes vivos com estruturas abióticas, como hidrogéis e dispositivos eletrônicos. As partes não vivas melhoram a capacidade de fabricação e aumentam a funcionalidade dos organismos incorporados.

O sapato conceito da Adidas, Stan Smith Mylo™, utiliza materiais derivados de cogumelos. (Imagem: Adidas)

Programando materiais vivos usando biologia sintética

O jovem campo da biologia sintética fornece um kit de ferramentas para reprogramar geneticamente organismos utilizando princípios de modularidade, padronização e modelagem. Usando bibliotecas de partes de DNA bem caracterizadas que codificam funções genéticas básicas, os biólogos sintéticos podem introduzir circuitos genéticos artificiais para dar às células capacidades semelhantes às de um computador. Por exemplo, redes genéticas projetadas permitem que os micróbios detectem sinais químicos, realizem cálculos lógicos ou sincronizem os seus comportamentos entre populações. Ao aproveitar a biologia sintética, os investigadores estão a explorar várias estratégias para desenvolver materiais vivos auto-organizados com funcionalidades programadas:

• Personalização de blocos de construção de materiais: Proteínas ou polissacarídeos secretados por células podem ser funcionalizados fundindo-os com peptídeos ou proteínas usando tecnologia de DNA recombinante. Por exemplo, E. coli as proteínas da matriz do biofilme foram modificadas para permitir a absorção de metais pesados ​​e a adesão subaquática.
• Projetando circuitos genéticos responsivos a estímulos: A introdução de circuitos que detectam sinais como toxinas, luz ou campos elétricos permite que os materiais vivos sintam e respondam aos ambientes de forma dinâmica.
• Comunicação célula-célula de engenharia: A incorporação de módulos de comunicação, como detecção de quorum, permite que populações de células projetadas auto-regulam coletivamente a fabricação e o desempenho de materiais.
• Construindo consórcios microbianos artificiais: A divisão de tarefas entre diferentes populações permite funções materiais mais complexas, distribuindo a carga metabólica.

Além dos exemplos mencionados, a natureza oferece um tesouro de inspiração. A seda da aranha possui notável força e flexibilidade, enquanto o osso demonstra capacidade de autorregeneração. Os pesquisadores estão explorando como imitar essas propriedades em materiais de engenharia. Por exemplo, o micélio, a estrutura semelhante a uma raiz dos fungos, está a ser utilizado para criar embalagens e materiais de construção sustentáveis. Bactérias capazes de produzir carbonato de cálcio estão sendo incorporadas ao concreto autocurativo que pode reparar suas próprias rachaduras. Os cientistas estão até a conceber tecidos que contêm micróbios que mudam de cor em resposta à poluição ou à temperatura.

Unindo mundos: a sinergia de materiais híbridos vivos e não vivos

Embora compostos puramente de vida, os materiais fabricados por organismos modificados sofrem atualmente de limitações como a fraca resistência mecânica. Para resolver isso, os pesquisadores estão explorando sistemas híbridos que combinam células vivas com componentes abióticos robustos, aproveitando ao mesmo tempo as técnicas de fabricação da ciência dos materiais. Por exemplo, técnicas como impressão 3D e microfluídica permitir o encapsulamento controlado de células vivas em hidrogéis poliméricos personalizáveis. Esses géis fornecem um ambiente aquático macio para manter a viabilidade celular e, ao mesmo tempo, melhorar as características físicas do material híbrido geral. Noutros casos, os investigadores incorporaram componentes funcionais não vivos que sinergizam com o metabolismo microbiano para permitir novas capacidades materiais. Os exemplos incluem nanopartículas semicondutoras que coletam energia luminosa para alimentar CO2-fixação de bactérias e sensores eletrônicos que fazem interface com circuitos genéticos projetados.

Aplicações de materiais vivos no mundo real

O poder transformador dos materiais vivos não se limita às bancadas de laboratório ou aos estudos teóricos; é uma realidade que se desenrola em diversos setores em todo o mundo. Estas aplicações do mundo real demonstram como a integração inovadora da biologia com os princípios da engenharia está a tornar as soluções sustentáveis ​​tangíveis e acessíveis. Desde edifícios que se auto-reparam até têxteis que reagem ao corpo humano e materiais de embalagem cultivados a partir de raízes de fungos, os estudos de caso abaixo destacam produtos e tecnologias reais que já estão a causar impacto. Ao colmatar a lacuna entre a sabedoria da natureza e a criatividade humana, estes exemplos não só sublinham a praticidade dos materiais vivos, mas também o seu potencial para alterar significativamente as indústrias, melhorar os resultados ambientais e melhorar a vida quotidiana. Estruturas Arquitetônicas Vivas A Instalação Hi-Fi, criado pelo grupo de arquitetura The Living, exemplifica o potencial dos materiais de bioengenharia na construção. Construída a partir de tijolos biodegradáveis ​​feitos de talos de milho e micélio vivo, a estrutura demonstra como materiais vivos podem ser usados ​​para criar projetos arquitetônicos sustentáveis ​​e compostáveis ​​que não comprometem a resistência ou o design, sugerindo o futuro da construção verde. Vista da instalação do Hy-Fi. (Imagem: MoMA) Materiais de construção ecológicos de micélio O micélio, a estrutura radicular dos fungos, está na vanguarda da inovação de materiais sustentáveis, com empresas como MycoWorks e Design Ecovativo abrindo o caminho. Estas empresas aproveitam os processos naturais de crescimento do micélio para criar materiais que não são apenas fortes e duráveis, mas também completamente biodegradáveis. Ao alimentar o micélio com resíduos agrícolas, eles moldam-no em produtos que vão desde alternativas ao couro até materiais de embalagem e isolamento, oferecendo um exemplo convincente de princípios de economia circular em ação. Betão autocurável Concreto Autocurativo Basilisk representa um avanço inovador em materiais de construção. Este concreto inovador incorpora bactérias específicas que, quando expostas à água, são ativadas para preencher fissuras com calcário, curando essencialmente o concreto. Este processo prolonga significativamente a vida útil do material, reduz os custos de manutenção e oferece uma alternativa ecológica ao reduzir potencialmente a pegada de carbono global da indústria do betão. Produção de Bioplásticos AirCarbon da Newlight Technologies aborda os desafios duplos da poluição plástica e das alterações climáticas, utilizando bactérias comedoras de metano para produzir uma alternativa plástica biodegradável. Este processo captura metano – um potente gás com efeito de estufa – do ar e converte-o num material que pode ser utilizado numa vasta gama de produtos, desde artigos de moda a embalagens de alimentos, apresentando uma nova abordagem para reduzir as emissões de carbono e os resíduos. Revestimentos vivos projetados Agricultura Indigo usa revestimentos microbianos de sementes para melhorar a saúde e o rendimento das culturas de maneira sustentável. Esses revestimentos contêm bactérias benéficas que melhoram a resiliência das plantas contra secas e pragas, reduzindo a necessidade de fertilizantes químicos e pesticidas. Esta abordagem inovadora não só apoia práticas agrícolas sustentáveis, mas também destaca o potencial dos materiais vivos para contribuir para a segurança alimentar global. Biossensores vestíveis Laboratório de Morphing Matter é pioneira na bioLogic, a integração de materiais vivos na indústria têxtil com seu tecido responsivo, que incorpora células vivas da bactéria natto (Bacillus Subtilis) como um nanoatuador sensível à umidade. As abas do tecido abrem e fecham em resposta ao suor do usuário, proporcionando ventilação natural. Esta inovação têxtil inteligente abre novas possibilidades para a tecnologia wearable, combinando conforto, funcionalidade e sustentabilidade.

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Percebendo o potencial de sustentabilidade dos materiais vivos

Os defensores acreditam que os materiais vivos podem oferecer vários benefícios de sustentabilidade em comparação com a produção convencional, incluindo:

• Utilizar micróbios geneticamente modificados como fábricas de células para produzir bioplásticos renováveis, substitutos de couro e pigmentos. Isto reduz a dependência de matérias-primas petroquímicas.
• Empregar organismos para biorremediação ativa de poluentes e resíduos. Micróbios projetados são promissores na captura de carbono do ar ou na degradação de resíduos plásticos.
• Projetar revestimentos vivos probióticos que prolongam a vida útil dos alimentos, reduzindo a deterioração e o desperdício.
• Utilização de bactérias fixadoras de azoto ou depositantes de minerais como fertilizantes à base de micróbios para uma agricultura mais sustentável, reduzindo a necessidade de fertilizantes sintéticos.

Embora os materiais vivos sejam imensamente promissores, vários obstáculos devem ser enfrentados antes da sua adoção generalizada. Os custos de produção atualmente excedem muitos materiais convencionais. A utilização de organismos geneticamente modificados levanta preocupações de biossegurança, exigindo uma contenção rigorosa e avaliações de risco ambiental. A percepção pública da biologia sintética varia e uma comunicação clara sobre os benefícios e riscos potenciais será crucial. Finalmente, a engenharia de materiais vivos exige uma abordagem verdadeiramente interdisciplinar, promovendo colaborações entre campos que tradicionalmente não interagem. No entanto, os materiais vivos representam uma intersecção interessante entre a biologia sintética e a ciência dos materiais. Com o progresso contínuo na engenharia de células e na gestão de comunidades microbianas, as tecnologias vivas poderão um dia fornecer soluções sustentáveis ​​para o fabrico de produtos químicos, o tratamento de águas residuais, o sequestro de carbono do ar e muito mais. Mas serão necessários grandes avanços neste campo para tornar esta visão futurista uma realidade. Concluindo, os materiais vivos projetados representam uma abordagem inovadora para a fabricação sustentável, oferecendo uma alternativa atraente aos materiais sintéticos convencionais. Ao aproveitar o poder dos organismos vivos e integrá-los com técnicas avançadas de engenharia, cientistas e inovadores estão criando materiais que apresentam propriedades notáveis, como automontagem, autocura e adaptabilidade. Desde materiais de construção ecológicos cultivados a partir de micélio até concreto auto-reparável e plásticos biodegradáveis ​​produzidos por bactérias, as aplicações reais de materiais vivos demonstram o seu potencial para revolucionar indústrias, reduzir o impacto ambiental e melhorar a nossa vida quotidiana. À medida que o campo continua a progredir, com avanços na biologia sintética e colaborações interdisciplinares, os materiais vivos estão preparados para desempenhar um papel crucial na formação de um futuro mais sustentável. No entanto, a concretização deste potencial exigirá a abordagem de desafios como os custos de produção, as preocupações de biossegurança e a percepção do público. No entanto, a promessa dos materiais vivos é inegável e o seu desenvolvimento representa uma fronteira estimulante na busca de soluções inovadoras para os desafios globais de sustentabilidade.

Explore mais: uma porta de entrada para o futuro dos materiais vivos

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By

Michael
Berger

– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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• Fonte: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64949.php