Le cellule biologiche hanno la complessa e miracolosa capacità di riconfigurare e cambiare il modo in cui comunicano tra loro nel tempo, permettendo loro di dirigere agilmente le funzioni critiche nel corpo umano, dal pensare al camminare fino alla lotta contro le malattie. Una delle principali sfide nella scienza dei materiali è lo sviluppo di nanomateriali in grado di replicare aspetti di queste funzioni cellulari e integrarsi con i sistemi viventi. In un articolo pubblicato oggi in Chimica della natura , un team di ricercatori guidati da scienziati dell'Advanced Science Research Center (ASRC) presso il Graduate Center della City University di New York spiega in dettaglio come hanno creato materiali sintetici con la capacità di imitare alcuni comportamenti normalmente associati alla materia vivente.

"La capacità di autoassemblarsi, riconfigurare e smontare in risposta a segnali chimici è un tratto comune nei materiali biologici, ma non in quelli artificiali", ha detto Mohit Kumar, l'autore principale del documento e uno scienziato del gruppo di ricerca di Rein Ulijn presso la Nanoscience Initiative dell'ASRC e l'Hunter College. "Se vuoi integrare i materiali sintetici nella biologia, un'interfaccia senza soluzione di continuità è desiderabile, che richiede materiali che condividano alcune delle proprietà della materia vivente. Si spera che il nostro approccio apra la porta a materiali artificiali in grado di interagire e riparare i sistemi viventi".

Per sviluppare nanomateriali che si riconfigurano in risposta a segnali chimici, i ricercatori hanno iniziato con la molecola di base naftalendiimmide (NDI), che è un semiconduttore organico. La molecola è stata selettivamente modificata su entrambi i lati esponendola a segnali biochimici sotto forma di semplici amminoacidi che sono stati aggiunti al sistema. Un enzima è stato utilizzato per incorporare gli amminoacidi nella molecola centrale, innescando percorsi di autoassemblaggio e smontaggio. Questo processo ha consentito la formazione e la degradazione di nanomateriali con caratteristiche simili a fili in grado di condurre segnali elettrici.

Utilizzando diversi amminoacidi, i ricercatori sono stati in grado di dirigere lo sviluppo di nanomateriali con proprietà diverse, inclusa una nanostruttura programmabile con la capacità di attivare e disattivare la conduzione elettrica attraverso l'uso dell'autoassemblaggio e del disassemblaggio dipendenti dal tempo.

"Come i neuroni nel cervello, questi materiali mostrano una notevole capacità di rimodellare i loro collegamenti elettrici, " disse Allon Hochbaum, coautore della carta e scienziato dei materiali presso la Samueli School of Engineering, Università della California, Irvine (UCI). "L'assemblaggio di queste molecole è codificato nella loro chimica dinamica, quindi semplicemente cambiando gli input chimici, possiamo osservare nanomateriali isolanti, nanomateriali conduttivi, o nanomateriali che commutano dinamicamente tra stati conduttivi e non conduttivi. Il fatto che il loro assemblaggio e la loro conduttività evolvano in acqua rende questi materiali ancora più avvincenti per le applicazioni di bio-interfaccia".

Il finanziamento per la ricerca è stato fornito dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'Aeronautica e dall'Ufficio per la ricerca dell'esercito. I ricercatori dell'UCI hanno sviluppato i dispositivi per misurare le capacità di conduzione elettrica dei nanomateriali, mentre i ricercatori dell'ASRC hanno sviluppato i nanomateriali. Il prossimo passo del team collaborativo è interfacciare i nuovi nanomateriali con i neuroni reali per vedere come interagiscono i materiali artificiali e biologici.

"Vogliamo vedere se siamo in grado di utilizzare i nanomateriali dinamici elettroconduttori per interfacciarsi efficacemente con i neuroni e provocare la loro attivazione elettrica su richiesta, " disse Rein Ulijn, direttore della Nanoscience Initiative dell'ASRC. "Siamo ancora all'inizio di questo aspetto del lavoro, ma quello che abbiamo finora è una svolta entusiasmante che dimostra la possibilità di creare materiali artificiali che imitano un complesso, attività dinamica dei sistemi biologici. Questi nuovi nanomateriali hanno la capacità di rispondere a segnali chimici biologicamente rilevanti e di fornire un'interfaccia elettronica. A lungo termine, questo può aprire un nuovo percorso verso lo sviluppo di trattamenti che, fino ad ora, sono stati solo teorici."