Pierwsze skojarzenie ze słowem „biofilm” zwykle jest negatywne (bierze on przecież udział w patogenezie chorób przewlekłych, próchnicy, zakażeniach szpitalnych, jest też problemem przy implantach, cewnikach, a także w przemyśle spożywczym). Na portalu biotechnologia.pl opisywaliśmy już pozytywne cechy biofilmów, a nawet wręcz pożądane w nauce, medycynie i przemyśle. Najnowsze badania tylko potwierdzają jak wiele możemy zyskać dzięki zamianie „wroga” w „przyjaciela”. Zabieg taki z powodzeniem zastosowali naukowcy z Massachusetts Institute of Technology, łącząc żywą część biofilmu z materiałem nieożywionym w postaci nanocząsteczek złota lub kropek kwantowych. Dzięki temu, tak powstała stabilna struktura, mogła nie tylko przewodzić prąd, ale również emitować światło.

Inspiracją dla naukowców jak zwykle okazała się być natura, a konkretnie kości, w których budowie możemy znaleźć zarówno elementy ożywione (osteoblasty) jak i nieożywione (minerały). Badacze pracowali na E.coli, które w naturalnie tworzonych biofilmach posiadają charakterystyczne fimbrie typu „curli”, zaangażowane nie tylko w sam proces tworzenia struktury, ale również w agregację, adhezję czy wczesne etapy inwazji. Za te funkcje odpowiada tu m.in. białko strukturalne CsgA, które tworzy strukturę łańcucha (połączone, powtarzające się podjednostki CsgA). Badacze z MIT wykorzystali fakt, że CsgA może być modyfikowane poprzez dołączanie białkowych fragmentów, które następnie mogłyby wiązać konkretne elementy nieorganiczne, w tym nanocząsteczki złota. W efekcie powstawała hybrydowa struktura łącząca zalety żywych komórek (możliwość kontroli przy zmiennych warunkach środowiska) z funkcjonalnością materiałów dodanych (przewodzenie energii elektrycznej czy emitowanie światła).

E.coli zostały zaprogramowane do produkcji różnego rodzaju fimbrii „curli” w konkretnych warunkach środowiska zewnętrznego. Udało się to osiągnąć dzięki wyłączeniu naturalnej możliwości produkcji CsgA, a następnie wprowadzeniu operonu pozwalającego wytwarzać białko tylko w ściśle określonych warunkach ( w obecności cząsteczek białka AHL). Kolejnym krokiem było zaprojektowanie takich komórek, które będą produkowały zmodyfikowane białko CsgA (zdolne do łączenia określonych nieorganicznych elementów) – tym razem tylko w obecności białka ATC. Białko to, dzięki obecności skupisk histydyny zdolne było do wychwytywania nanocząsteczek złota. Następnie, oba szczepy hodowano wspólnie, kontrolując skład powstającego biofilmu poprzez modulacje stężeń AHL i ATC. W efekcie powstał „żywy materiał” posiadający w swojej strukturze sieć złotych nanodrutów zdolnych do przewodzenia prądu. W innym badaniu, naukowcom udało się również wprowadzić do biofilmu fluorescencyjne kropki kwantowe. W tym przypadku skorzystano z innej modyfikacji białka CsgA – zawierającej znacznik peptydowy, zwany SpyTag, zdolny do wychwytywania powleczonych białkiem SpyCatcher kropek kwantowych. Co ciekawe, okazało się, że komórki zawierające oba typy zmodyfikowanego CsgA można hodować wspólnie, tworząc jeden biofilm.

Interesujące jest również to, że bakterie nie utraciły zdolności porozumiewania się i swoistej koordynacji składu biofilmu. Udowodniono to projektując E.coli, które produkowały nie tylko zwykły CsgA, ale również AHL – dzięki czemu same mogły stymulować u innych komórek produkcję histydynowych CsgA. „To pokazuje, że w istocie można zaprojektować komórki, które będą komunikować się ze sobą i zmieniać skład biofilmu w czasie. Ostatecznie mamy nadzieję na naśladowanie funkcjonowania naturalnych systemów, takich jak tworzenie kości. Nikt nie mówi kości co ma robić – ta jednak generuje materiał w odpowiedzi na sygnały środowiskowe.” – komentują na oficjalnej stronie MIT autorzy.

Wg badaczy, opisana wyżej technika może w przyszłości zostać wykorzystana przy produkcji m.in. baterii, ogniw słonecznych, czy czujników diagnostycznych.  Upatruje się również potencjalną rolę w inżynierii tkankowej, a także możliwość włączenia do biofilmu enzymów rozkładających celulozę, co może zostać wykorzystane w produkcji biopaliw.