I biofilm iridescenti di Cellulophaga lytica sono piattaforme sintonizzabili per materiali scalabili e ordinati

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13192 (2023) Citare questo articolo

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La natura offre molti esempi di materiali che mostrano proprietà eccezionali grazie all'assemblaggio gerarchico dei loro costituenti. In sistemi multicellulari ben studiati, come la farfalla morfo, un'indicazione visibile di avere caratteristiche ordinate submicroniche è data dalla visualizzazione del colore strutturale. Studi dettagliati sui progetti della natura hanno prodotto intuizioni meccanicistiche e portato allo sviluppo di materiali biomimetici su scala di laboratorio. Tuttavia, la produzione di gruppi gerarchici su scala industriale rimane difficile. La bioproduzione mira a sfruttare l’autonomia dei sistemi biologici per produrre materiali a costi inferiori e con minori emissioni di carbonio. Rapporti precedenti avevano documentato che alcuni batteri, in particolare quelli con motilità di scorrimento, si autoassemblano in biofilm con strutture policristalline e mostrano colori scintillanti e iridescenti. L’attuale studio dimostra il potenziale dell’utilizzo di uno di questi batteri, Cellulophaga lytica, come piattaforma per la bioproduzione su larga scala di materiali ordinati. Sono riportati approcci specifici per il controllo delle proprietà ottiche, spaziali e temporali del biofilm di C. lytica. Studi complementari basati sulla microscopia rivelano che le variazioni di colore del biofilm sono attribuite a cambiamenti nella morfologia indotti dalle risposte cellulari all'ambiente locale. Viene inoltre dimostrata l'incorporazione di biofilm di C. lytica nei materiali, facilitandone così la manipolazione e la lavorazione a valle, come sarebbe necessario durante i processi di produzione. Infine, questo studio stabilisce l'utilità di C. lytica come inchiostro fotonico autostampante. In sintesi, l’assemblaggio superficiale autonomo di C. lytica in condizioni ambientali e su più scale di lunghezza aggira le sfide che attualmente ostacolano la produzione di materiali ordinati in ambienti industriali.

Gli ambienti fluttuanti e difficili sfidano i sistemi biologici a sviluppare strategie di mitigazione per la sopravvivenza. La gerarchia strutturale è una risposta prevalente a tali sfide ed è la base di proprietà e funzionalità dei materiali evidenti1,2. Sebbene i ricercatori abbiano sviluppato materiali biomimetici che incorporano i principi di progettazione della natura, la produzione di materiali gerarchici su scala industriale rimane difficile3,4,5. La bioproduzione ha il potenziale per ridurre il consumo di energia e le emissioni di carbonio utilizzando organismi viventi per produrre materiali complessi6,7,8. Una particolare area di interesse sono gli inchiostri batterici in cui le cellule incorporate consentono la stampa 3D di materiali funzionali9,10. I ricercatori riferiscono di successi di laboratorio nel modellare i batteri per un controllo aggiuntivo utilizzando nanostrutture, campi elettrici e optogenetica11,12,13.

La colorazione strutturale, una proprietà emergente legata alle colonie batteriche, deriva dall'interazione della luce con strutture ricorrenti, gerarchiche, submicroniche. Negli organismi multicellulari, il colore strutturale migliora le funzioni essenziali tra cui la raccolta della luce, l'accoppiamento, la difesa e la comunicazione14,15,16,17. L'iridescenza, o colore strutturale dipendente dall'angolo, spesso comporta combinazioni di pigmenti, iridofori e strutture multistrato attaccate alle membrane negli eucarioti18,19. Anche i sistemi procariotici, compresi i generi Cytophaga, Flavobacterium e Cellulophaga, mostrano iridescenza e i precisi meccanismi coinvolti sono attualmente oggetto di studio da parte di diversi gruppi20,21,22. L'iridescenza di questi batteri è definita come colore strutturale con un'intensità di picco dipendente dall'angolo. Si noti che questo è distinto dall'iridescenza generalmente associata alle farfalle e ai gusci dei molluschi dove anche la lunghezza d'onda riflessa dipende dall'angolo. In condizioni di laboratorio, i ceppi di Cellulophaga lytica si auto-organizzano in comunità 3D cooperative, note come biofilm, generando iridescenza di lunghezze d'onda discrete22,23. La motilità di scorrimento coordinata facilita l'ordinamento a breve raggio dei batteri su vaste aree24,25,26. Negli studi di Kientz et al., l'iridescenza simile a glitter è stata generata da vari ceppi di C. lytica, inclusi gli isolati marini DSM 2040 e CECT 8139 provenienti da acquari di acqua marina rispettivamente a La Jolla, USA e Oleron Island, Francia23. È stato dimostrato che la capacità di planare e fattori ambientali come la temperatura, la salinità, ecc. influiscono sull'iridescenza20,27,28. C. lytica DSM 7489 (nota anche come CIP 103822 e Lim 21T; originariamente isolata dal fango della spiaggia di Limon, Costa Rica) era significativamente meno iridescente e veniva utilizzata come controllo negativo nei loro esperimenti20,22,23. Conformemente al nostro obiettivo di sviluppare materiali gerarchici adatti alla bioproduzione, questo studio ha caratterizzato i biofilm iridescenti del ceppo disponibile in commercio di C. lytica, DSM 7489 e ha sviluppato strategie per il controllo delle proprietà ottiche e spaziali del biofilm. Pertanto, è stata dimostrata l'utilità dei biofilm di C. lytica come piattaforma per lo sviluppo di materiali ordinati prodotti in modo sostenibile.