Se l'avvento dei computer ha lanciato l'era dell'informazione, la capacità di progettare minuscole macchine a partire da molecole potrebbe definire i prossimi decenni.

A testimonianza del rapido progresso delle nanotecnologie, il Premio Nobel per la Chimica 2016 è stato assegnato agli scienziati che hanno costruito le prime macchine molecolari sintetiche al mondo interconnettendo singole molecole in dispositivi in ​​grado di muoversi meccanicamente.

Ora, una scoperta degli scienziati della Princeton University, segnalato il 2 agosto nel Giornale della Società Chimica Americana , dimostra che gli esseri umani non hanno il monopolio sulla costruzione delle macchine più piccole del mondo. I ricercatori di Princeton hanno scoperto una molecola batterica a forma di lazo in grado di alterare la sua configurazione se esposta al calore, una capacità di cambiare forma simile a quella usata per far funzionare alcune macchine molecolari sintetiche. Il lazo è un tipo di catena molecolare nota come peptide.

"La scoperta di questo peptide lazo, che abbiamo chiamato benenodin-1, dimostra che potremmo guardare alla biologia e all'ingegneria per il materiale di partenza nello sviluppo di dispositivi molecolari, " ha detto A. James Link, un professore associato di ingegneria chimica e biologica a Princeton che era l'autore senior del documento.

Mentre le applicazioni sono ancora per lo più speculative, gli usi potenziali delle macchine molecolari sono enormi, spaziando da microrobot che forniscono farmaci nel corpo umano a nuovi tipi di materiali che si adattano in tempo reale ai cambiamenti ambientali come le fluttuazioni di calore, luce o umidità.

I primi grandi progressi nella costruzione di macchine molecolari avvennero negli anni '80, quando il chimico Jean-Pierre Sauvage è stato in grado di costruire molecole collegate meccanicamente collegando insieme due anelli molecolari. Ciò contrastava con la tecnica classica di collegare le molecole attraverso legami covalenti, un legame chimico in cui le molecole si fissano condividendo elettroni.

All'inizio degli anni '90, un altro scienziato, Fraser Stoddart, creato una nuova struttura, chiamato rotaxano, infilando un'asta molecolare attraverso un anello di molecole e fissandolo in posizione. L'anello potrebbe muoversi su e giù per l'asta, ma non cadeva a causa dei tappi aggiunti da Stoddart a ciascuna estremità dell'asta. Dal loro avvento, rotassani sono stati utilizzati per creare un ascensore su scala nanometrica, un muscolo artificiale e persino un minuscolo computer. Sauvage e Stoddart hanno condiviso il Premio Nobel per la Chimica 2016 con un altro scienziato, Bernardo Feringa, chi ha costruito motori molecolari, compreso uno in grado di far girare una minuscola bacchetta di vetro che era 10, 000 più grande della macchina stessa.

Mentre le macchine molecolari costruite da Sauvage, Stoddart e Feringa sono stati sintetizzati in laboratori, Link e i suoi colleghi di Princeton hanno cercato nella natura l'ispirazione per la nanoingegneria.

Il team di Link ha sviluppato metodi per cercare le sequenze di DNA degli organismi alla ricerca di prove che possano produrre peptidi. Come i loro cugini più grandi, proteine, i peptidi sono catene di amminoacidi legati.

In particolare, Link si è concentrato sulla scoperta di peptidi lazo, una classe di molecole contraddistinte da una forma a nodo scorsoio, dove una lunga sezione a "coda" della molecola sporge attraverso una sezione ad "anello". Il nome di questa classe di peptidi deriva dalla somiglianza nella loro struttura e quella dei nodi lariati usati nei lacci da cowboy. La loro struttura rende i peptidi lazo altamente stabili, un'importante caratteristica biologica. Tenuti insieme da legami meccanici, i peptidi lazo assomigliano anche alle strutture rotaxane anello-e-asta di Stoddart, e sono quindi classificati come rotassani.

Alcuni peptidi lazo hanno proprietà antimicrobiche e possono rappresentare un nuovo tipo di antibiotici, un'area che il laboratorio di Link sta esplorando. La struttura rotassanica dei peptidi li rende anche possibili candidati per la costruzione di macchine molecolari.

Il team di Princeton ha scoperto il peptide lazo benenodin-1 mentre esplorava il DNA di Asticcacaulis benevestitus, un proteobatterio del suolo dei monti Urali russi. Quando esposto al calore, molti peptidi lazo presenti in natura si sfilacciano, con la porzione di coda della molecola che scivola fuori dall'anello. Quando i ricercatori di Princeton hanno esposto il benenodin-1 al calore, furono sorpresi di scoprire che la molecola cambiava forma, ma ha mantenuto la sua conferma del nodo scorsoio.

"Questa capacità di cambiare forma senza sfilare è intrigante, " disse Link. "Entrambe le conformazioni mantengono la struttura rotassanica, che lo rende il primo esempio di commutabile, molecola meccanicamente interconnessa che si trova in natura."

"Solleva domande sul fatto che esista una spiegazione evolutiva per questo comportamento e se altre molecole di questo tipo possano esistere in natura, " Egli ha detto.

Link e i suoi colleghi hanno anche scoperto altri interessanti cambiamenti nel comportamento chimico del benenodin-1 che sono stati innescati dal calore. Prima dell'esposizione al calore, il peptide lazo potrebbe essere sminuzzato da un enzima chiamato  benenodin-1 isopeptidasi. Ma dopo che il riscaldamento ha cambiato il peptide lazo nella sua nuova configurazione, non era più influenzato dall'enzima.

Link ha affermato che questa differenza nel modo in cui l'enzima funziona a temperature diverse potrebbe tradursi in cambiamenti nella funzione biologica, un fenomeno che potrebbe avere un ruolo nel modo in cui il cambiamento climatico influisce sulle comunità microbiche nel suolo.

Il team di Princeton intende esplorare se la proprietà di commutazione della benenodina-1 possa essere utilizzata in applicazioni pratiche, come legare inquinanti metallici per aiutare con la pulizia ambientale.

Il peptide potrebbe anche fornire una fonte naturale per gli elementi costitutivi delle nanostrutture in cui due anelli molecolari sono fisicamente collegati insieme. I ricercatori stanno valutando se queste nanostrutture potrebbero essere utilizzate per costruire dispositivi e sensori elettronici molecolari. Ad esempio, potrebbero essere utilizzati come sensori termici che indicherebbero quando una confezione di materiali termicamente sensibili come i medicinali è stata esposta al calore.

"La scoperta di questa proprietà di commutazione naturale in un peptide lazo apre molte nuove strade per la ricerca, dall'esplorazione dell'evoluzione di peptidi ed enzimi, all'uso di prodotti naturali nelle nanotecnologie, " ha detto Link.