I sistemi biologici sono veramente rappresentativi di un fenomeno macroscopico complesso, essendo acutamente controllato da reti di reazioni chimiche microscopiche. Mentre gli scienziati cercano di creare un materiale adattivo e reattivo realistico, la ricerca si è intensificata in imitazioni sintetiche di processi biologici rudimentali.

Uno di questi processi biologici è la crescita controllata delle proteine ​​del citoscheletro. Oltre a fungere da nanoscheletro per mantenere la forma cellulare, gli assemblaggi di queste proteine ​​sono responsabili della distribuzione dei nutrienti all'interno di una cellula. Così, controllano quasi tutti i processi importanti all'interno della cellula, dalla divisione alla distribuzione delle forze. Sarebbe lecito presumere che i percorsi di controllo dell'assemblaggio di queste proteine ​​contribuiscano in modo chiave al comportamento adattivo e reattivo di una cellula. La parte fondamentale di questo processo è un sistema metabolico alimentato da ATP che programma il tasso di crescita e decadimento di questi gruppi in base al tempo. Viene inoltre mantenuto uno stretto controllo sulla dimensione di questi gruppi poiché la dimensione è direttamente correlata all'efficacia funzionale di un sistema.

In uno studio recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura , scienziati del Jawaharlal Nehru Center for Advanced Science and Research (JNCASR) e dell'Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine (inStem) hanno creato un'imitazione sintetica minimalista delle reti citoscheletriche con programmazione strutturale e temporale. Il lavoro si concentra sulla crescita controllata guidata dalla reazione di un sistema molecolare monomerico a due componenti.

"Questo sistema monomerico sintetico è elegantemente progettato in modo da dare origine a una reazione primaria che converte un sistema monomerico inattivo (non assemblante) in uno attivo (che innesca l'assemblaggio) dopo l'aggiunta di alchilammine (combustibile), " ha detto il dottor Subi George, professore associato presso JNCASR.

Mostrano che questa reazione può essere utilizzata per controllare con precisione la crescita unidimensionale (nanofibre) degli assemblaggi risultanti attraverso la disponibilità controllata di carburante. La crescita di queste strutture nanofibrose è guidata da interazioni intermolecolari molto deboli (polimerizzazione supramolecolare) come reazioni idrofobe simili ai doppi strati lipidici nelle membrane e interazioni aromatiche simili all'impilamento delle basi azotate nel DNA, e quindi sono altamente dinamici e hanno caratteristiche di autoriparazione come molti assemblaggi biologici.

"Mentre i sistemi biologici modulano elegantemente l'autoassemblaggio con grande precisione, impartire proprietà di polimerizzazione transitorie e viventi negli anfifili chimici è stato finora un compito arduo. La progettazione di un anfifilo formante in situ ha permesso di studiare a piacimento le strutture dinamiche assemblate, " ha detto il dottor Praveen Kumar Vemula.

Attraverso dettagliate analisi spettroscopiche e microscopiche, hanno stabilito che questa crescita fosse "vivente" nella natura, risultando in assiemi con distribuzione dimensionale molto ristretta (monodispersi). Il sistema è stato ulteriormente sviluppato accoppiando la crescita con scenari chimici scelti in modo univoco in modo tale da stabilire il controllo sulla cinetica di crescita e disassemblaggio. Di conseguenza, è stata realizzata una rete transitoria programmata nel tempo di complessi fibrosi. In entrambi i casi, la manipolazione delle caratteristiche temporali chiave andava da pochi secondi a migliaia di secondi. Questo studio rappresenta quindi un passo fondamentale nello sviluppo di sistemi adattivi, realistico, materiali supramolecolari.

"Abbiamo, per la prima volta, dimostrato che ogni caratteristica temporale della polimerizzazione supramolecolare può essere controllata chimicamente e ulteriormente accoppiata ad altre reazioni partecipanti simili a un sistema biologico, " ha detto Ankit Jain, autore principale del paper.

"Controllare le nano-architetture autoassemblate utilizzando stimoli come enzimi e pH è stato affascinante, "dice Ashish Dhayani, autore della carta.

"Questo lavoro è un progresso significativo per progettare sistemi attivi bio-mimetici che operano in condizioni fuori equilibrio, con programmazione spazio-temporale rispetto alla maggior parte dei sistemi passivi sintetici finora segnalati, che lavorano in equilibrio termodinamico con la sola complessità spaziale, " ha detto Shikha Dhiman, coautore del paper.

La prossima sfida è costruire sistemi sintetici realistici in grado di pensare, imparare e adattarsi come fanno gli esseri viventi. Questo studio è uno di questi primi passi, ma sono ancora necessarie molte ricerche per emulare completamente i processi naturali. Il team spera di applicare questo principio e utilizzare queste nano-architetture dinamiche di autoassemblaggio nei sistemi biologici.