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Mar 14, 2024

Biofilmes iridescentes de Cellulophaga lytica são plataformas ajustáveis ​​para materiais ordenados e escaláveis

Relatórios Científicos volume 13, Artigo número: 13192 (2023) Citar este artigo 746 Acessos 1 Detalhes da Métrica Altmétrica A natureza oferece muitos exemplos de materiais que exibem propriedades excepcionais devido

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13192 (2023) Citar este artigo

746 Acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

A natureza oferece muitos exemplos de materiais que apresentam propriedades excepcionais devido à montagem hierárquica dos seus constituintes. Em sistemas multicelulares bem estudados, como a borboleta morfo, uma indicação visível de ter características submicrométricas ordenadas é dada pela exibição da cor estrutural. Investigações detalhadas dos projetos da natureza produziram insights mecanicistas e levaram ao desenvolvimento de materiais biomiméticos em escala laboratorial. No entanto, a fabricação de montagens hierárquicas em escala industrial continua difícil. A biofabricação visa alavancar a autonomia dos sistemas biológicos para produzir materiais com menor custo e com menos emissões de carbono. Relatórios anteriores documentaram que algumas bactérias, particularmente aquelas com motilidade deslizante, auto-montam-se em biofilmes com estruturas policristalinas e exibem cores brilhantes e iridescentes. O presente estudo demonstra o potencial do uso de uma dessas bactérias, Cellulophaga lytica, como plataforma para a biofabricação em larga escala de materiais encomendados. Abordagens específicas para controlar propriedades ópticas, espaciais e temporais do biofilme de C. lytica são relatadas. Estudos complementares baseados em microscopia revelam que as variações de cor do biofilme são atribuídas a mudanças na morfologia induzidas por respostas celulares ao ambiente local. A incorporação de biofilmes de C. lytica em materiais também é demonstrada, facilitando assim o seu manuseio e processamento posterior, conforme seria necessário durante os processos de fabricação. Finalmente, a utilidade de C. lytica como tinta fotônica de autoimpressão é estabelecida por este estudo. Em resumo, a montagem autônoma da superfície de C. lytica sob condições ambientais e em múltiplas escalas de comprimento contorna os desafios que atualmente dificultam a produção de materiais encomendados em ambientes industriais.

Ambientes flutuantes e hostis desafiam os sistemas biológicos a desenvolver estratégias de mitigação para a sobrevivência. A hierarquia estrutural é uma resposta predominante a tais desafios e é a base de propriedades e funcionalidades materiais conspícuas1,2. Embora os investigadores tenham desenvolvido materiais biomiméticos que incorporam os princípios de design da natureza, a fabricação de materiais hierárquicos em escala industrial continua difícil3,4,5. A biofabricação tem o potencial de reduzir o consumo de energia e as emissões de carbono ao utilizar organismos vivos para produzir materiais complexos6,7,8. Uma área específica de foco são as tintas bacterianas, onde células incorporadas permitem a impressão 3D de materiais funcionais9,10. Pesquisadores relatam sucessos laboratoriais na padronização de bactérias para controle adicional usando nanoestruturas, campos elétricos e optogenética11,12,13.

A coloração estrutural, uma propriedade emergente ligada às colônias bacterianas, deriva da interação da luz com estruturas submicrométricas recorrentes e hierárquicas. Em organismos multicelulares, a cor estrutural melhora funções essenciais, incluindo captação de luz, acasalamento, defesa e comunicação14,15,16,17. A iridescência, ou cor estrutural dependente do ângulo, frequentemente envolve combinações de pigmentos, iridóforos e estruturas multicamadas que estão ligadas às membranas dos eucariotos . Os sistemas procarióticos, incluindo os gêneros Cytophaga, Flavobacterium e Cellulophaga, também apresentam iridescência e os mecanismos precisos envolvidos estão atualmente em estudo por vários grupos . A iridescência por essas bactérias é definida como uma cor estrutural com uma intensidade de pico dependente do ângulo. Observe que isso é diferente da iridescência geralmente associada a borboletas e conchas de moluscos, onde o comprimento de onda refletido também depende do ângulo. Em condições de laboratório, cepas de Cellulophaga lytica se auto-organizam em comunidades cooperativas 3D, conhecidas como biofilmes, gerando iridescência de comprimentos de onda discretos . A motilidade de deslizamento coordenada facilita o ordenamento de bactérias em curto alcance em grandes áreas . Nos estudos de Kientz et al., a iridescência semelhante a brilho foi gerada por várias cepas de C. lytica, incluindo os isolados marinhos DSM 2040 e CECT 8139 de aquários de água salgada em La Jolla, EUA e Ilha Oleron, França, respectivamente . Foi demonstrado que a capacidade de planar e fatores ambientais como temperatura, salinidade, etc. impactam a iridescência20,27,28. C. lytica DSM 7489 (também conhecida como CIP 103822 e Lim 21T; originalmente isolada da lama da praia em Limon, Costa Rica) foi significativamente menos iridescente e usada como controle negativo em seus experimentos . De acordo com nosso objetivo de desenvolver materiais hierárquicos que sejam passíveis de biofabricação, este estudo caracterizou biofilmes iridescentes da cepa comercialmente disponível de C. lytica, DSM 7489, e desenvolveu estratégias para controlar as propriedades ópticas e espaciais do biofilme. Assim, foi demonstrada a utilidade dos biofilmes de C. lytica como plataforma para o desenvolvimento de materiais encomendados fabricados de forma sustentável.