Timp de miliarde de ani, natura a perfecționat modul în care celulele vii formează structuri complexe. O echipă de cercetători studiază în prezent acest proces și caută modalități de a-l accelera.
Pentru Massimo Vassalli, profesor de bioinginerie la Universitatea din Glasgow, obiectivul este să înțeleagă nu doar cum se formează țesuturile vii, ci și cum pot fi recreate în laborator.
Vassalli este coordonatorul științific al PRISM-LT, un proiect finanțat de UE care se derulează pe o perioadă de cinci ani, până în 2027. Echipa dezvoltă o platformă de bioimprimare 3D pentru crearea de țesuturi vii complexe, cu aplicații de la cercetarea biomedicală până la carnea de cultură.
La baza proiectului se află un concept care sună aproape futurist: materialele vii obținute prin inginerie, cunoscute sub acronimul ELM (engineered living materials).
Este vorba despre materiale realizate parțial sau în întregime din celule vii – inclusiv microorganisme precum bacteriile sau ciupercile – care pot crește, pot reacționa și se pot adapta la mediul înconjurător. Materialele ELM se pot autoorganiza și autorepara așa cum materialele statice convenționale nu o pot face.
„Materialele vii obținute prin inginerie pot avea caracteristici suplimentare și dinamice pe care pur și simplu nu le putem reproduce în materialele statice tradiționale”, a declarat Vassalli.
Formarea structurilor din celule vii
Materialele ELM ar putea transforma diverse sectoare, de la sănătate până la producția alimentară, însă transformarea acestui potențial în realitate presupune rezolvarea unei probleme biologice dificile: cum pot fi imprimate celule vii în structuri complexe fără a le distruge și fără a pierde controlul asupra modului în care se dezvoltă.
Echipa PRISM-LT abordează această problemă prin crearea de țesuturi vii din capsule minuscule care conțin celule vii și un material de susținere gelatinos, numit biocerneală.
„În loc să imprimăm un flux continuu de biocerneală, lucrăm cu mici unități vii încapsulate”, a explicat Laura Martinelli, coordonatoarea proiectului PRISM-LT și directoare generală la In Society, o organizație de cercetare cu sediul la Udine, Italia.
„Aceste capsule pot fi poziționate cu precizie de un braț robotic sau pot fi bioimprimate strat cu strat pentru a crea arhitecturi tisulare complexe.”
Metodele convenționale imprimă celulele într-un flux continuu de material, fără ghidajul biologic pe care îl pot oferi microorganismele vii. Aici, fiecare capsulă reprezintă o unitate biologică ce conține atât structura de susținere, cât și microorganismele modificate genetic care contribuie la ghidarea celulelor pe măsură ce se dezvoltă.
Microbii respectivi au fost modificați genetic pentru a acționa ca ghizi biologici. Ei detectează momentul în care celulele stem – celule care se pot dezvolta în numeroase tipuri diferite de țesut – încep să se transforme și reacționează prin eliberarea de semnale chimice, numite factori de creștere, care ghidează celulele stem către tipul de țesut dorit.
Procesul de fabricație este rapid, durând de la câteva minute până la o oră. Urmează apoi o etapă mai lentă: o perioadă de maturare de aproximativ trei săptămâni, în care celulele stem se transformă în țesut osos, adipos sau muscular. Echipa poate produce în prezent aproximativ un centimetru pătrat de țesut subțire și lucrează la obținerea unei structuri tridimensionale de un centimetru cub.
Dificultatea este cu atât mai mare cu cât procesul presupune plasarea în același mediu a unor componente vii care nu coexistă în mod natural.
„Trebuie să creăm o relație simbiotică între două sisteme care nu au fost concepute să conviețuiască, cum ar fi drojdia și celulele stem”, a declarat Vassalli. „Principala provocare constă în crearea unor condiții suficient de bune atât pentru drojdie sau bacterii, cât și pentru celulele stem, pe măsură ce acestea se diferențiază.”
Această curiozitate legată de interacțiunile biologice a stat la baza proiectului. „Punctul de plecare al cercetării noastre a fost curiozitatea față de această interacțiune”, a spus Vassalli. „În esență, evoluția a urmat același proces. Organismele unicelulare au interacționat și au evoluat, dând naștere naturii așa cum o cunoaștem astăzi.”
De la cercetarea măduvei osoase la carnea din farfurie
Cercetătorii încearcă să recreeze două tipuri specifice de țesuturi. Primul este interfața dintre țesutul osos și cel adipos, prezentă în măduva osoasă, pentru cercetarea biomedicală.
Al doilea este reprezentat de structuri alcătuite din mușchi și grăsime, care reproduc striațiile de grăsime ce dau cărnii reale textura și gustul specifice – o calitate care a lipsit mult timp din carnea de cultură, sau carnea produsă în laborator.
Platforma va fi utilizată, de asemenea, pentru a crea modele tisulare miniaturale care imită structura organelor umane și care ar putea fi folosite pentru testarea medicamentelor și pentru sprijinirea medicinei personalizate.
„Proiectul își propune să ofere o platformă care poate crea prin inginerie țesuturi diferite, cu utilizări foarte diverse, dar plecând de la aceleași principii de bază”, a declarat Martinelli.
În domeniul sănătății, accentul se pune pe realizarea de modele 3D ale măduvei osoase pentru studierea medicamentelor destinate unor afecțiuni care afectează în mod specific măduva osoasă, cum ar fi leucemia.
În ceea ce privește produsele alimentare, obținerea unei distribuții adecvate a grăsimii este foarte importantă pentru acceptarea lor de către consumatori. „Datorită tehnologiei noastre de bioimprimare, putem obține textura potrivită pentru alternativele la carne, ceea ce ar putea facilita introducerea acestora pe piață”, a declarat Martinelli.
Mai este însă nevoie de timp pentru ca această tehnologie să ajungă la publicul larg. „Suntem încă departe de aplicațiile practice”, a declarat ea. „Ne concentrăm pe principiile și mecanismele de bază, pentru a vedea ce funcționează și ce nu. Avem însă deja în vedere provocările care pot apărea în viitor.”
Percepția consumatorilor este una dintre aceste provocări. În dezvoltarea cărnii de cultură, cercetătorii au ales să lucreze cu drojdie, nu cu bacterii. „Ar fi dificil să le explicăm consumatorilor că această carne a fost obținută cu ajutorul bacteriilor”, a spus Martinelli.
Dincolo de laborator: la frontiera reglementării
Progresul științific reprezintă doar o parte a provocării. Introducerea materialelor vii obținute prin inginerie în medicină sau în producția alimentară va necesita, totodată, o nouă perspectivă în materie de reglementare.
Deoarece materialele ELM combină celule vii și, în unele cazuri, microorganisme modificate genetic, nu se potrivesc perfect cu reglementările existente – concepute pentru medicamente convenționale sau produse alimentare standard, nu pentru materiale care sunt, practic, vii.
În colaborare cu Consiliul European pentru Inovare, echipa poartă deja discuții cu autoritățile de reglementare, inclusiv cu Agenția Europeană pentru Medicamente, pentru a analiza ce norme și autorizații ar putea fi necesare în viitor pentru aceste materiale.
„Trebuie să privim această tehnologie dintr-o nouă perspectivă”, a declarat Martinelli. „Această colaborare ne ajută să identificăm o cale pentru utilizarea materialelor ELM.”
Vassalli a adăugat că, utilizate pe scară largă, materialele ELM ar putea fi „extrem de puternice”. „Când am demarat proiectul, ne-am pus două întrebări principale: se poate realiza și, mai ales, poate fi aplicat la scară largă? Acum putem spune că da, este realizabil.”
Aplicarea la scară largă reprezintă următoarea provocare. Dacă echipa va reuși, am putea fi cu un pas mai aproape de un viitor în care materialele vii își vor găsi locul alături de cele convenționale, pe care le considerăm deja firești.
Articol scris de Michaela Nesvarova
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista UE pentru cercetare și inovare.
Cercetarea prezentată în acest articol a fost finanțată parțial de Consiliul European pentru Inovare (EIC).
Mai multe informații
A treia alertă aeriană în Tulcea în doar 24 de ore. Avioane Eurofighter britanice au decolat de la Borcea
Horoscop zilnic: 31 iulie
Polonia își schimbă sistemele de alertare a populației după recenta explozie a unei rachete rusești
Reacția antrenorului de la FCSB după eliminarea din Conference League: "Nu ai cum să nu scoți și lucrurile bune în evidență"
