Un team di scienziati internazionali guidato dall'Università di Bristol con un interesse per le tecnologie di protoliving, ha pubblicato oggi una ricerca che apre la strada alla costruzione di nuovi dispositivi semi-autonomi con potenziali applicazioni nella robotica morbida miniaturizzata, rilevamento su microscala e bioingegneria.

I microattuatori sono dispositivi in ​​grado di convertire segnali ed energia in movimenti azionati meccanicamente in strutture su piccola scala e sono importanti in un'ampia gamma di tecnologie avanzate su microscala.

Normalmente, i microattuatori si basano su cambiamenti esterni nelle proprietà di massa come il pH e la temperatura per innescare trasformazioni meccaniche ripetibili. Ora, in un nuovo studio pubblicato oggi in Chimica della natura , Il professor Stephen Mann della School of Chemistry dell'Università di Bristol, e il Max Planck Bristol Center for Minimal Biology insieme ai colleghi Drs Ning Gao, Mei Li, Liangfei Tian, Avinash Patil e Pavan Kumar del Bristol Centre for Protolife Research dimostrano un nuovo approccio che utilizza i cambiamenti interni come trigger per il movimento basato sul segnale.

In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno incorporato con successo decine di migliaia di entità simili a cellule artificiali (protocelle) all'interno di filamenti elicoidali di un idrogel di polisaccaride per produrre minuscole molle indipendenti alimentate chimicamente dall'interno.

Il team ha prima caricato le protocelle con ureasi, un enzima che genera ioni carbonato quando fornito con urea, e poi ha catturato le cellule artificiali in un getto tortuoso di idrogel di alginato di calcio utilizzando un dispositivo microfluidico costruito in casa.

Hanno scoperto che i filamenti elicoidali iniziano a svolgersi in acqua quando l'ureasi è accesa, e che la velocità dell'estensione longitudinale aumentava man mano che più ioni carbonato sfuggivano dalle protocelle nell'idrogel circostante.

L'accoppiamento dell'attività chimica endogena al movimento meccanico è stato associato alla rottura dei legami incrociati nell'idrogel a causa della rimozione degli ioni calcio mediante formazione in loco di particelle di carbonato di calcio, che ha portato al lento rilascio di energia elastica nelle microstrutture primaverili.

Al contrario, il recupero degli ioni calcio dissolvendo le particelle di carbonato di calcio utilizzando una seconda popolazione di protocelle contenenti glucosio ossidasi che producono acido poste all'esterno dei filamenti ha invertito lo svolgimento e ristabilito il passo elicoidale originale delle molle indipendenti.

Sulla base di queste osservazioni, i ricercatori hanno utilizzato i filamenti elicoidali di protocelle come albero motore per eseguire lavori meccanici alimentati da protocelle. Per questo, hanno attaccato una singola protocella "gigante" a ciascuna estremità dell'idrogel a spirale e hanno sfruttato i minuscoli manubri come microattuatori indipendenti (vedi immagine). L'attività dell'ureasi nelle due protocelle giganti è stata sufficiente a causare un'estensione laterale del manubrio. Il movimento potrebbe essere ridotto se una delle protocelle giganti attaccate contenesse glucosio ossidasi, che ha funzionato per ripristinare il calcio perso nel connettore dell'idrogel. In questo modo, una gamma di diverse modalità di trasduzione chimico-meccanica potrebbe essere programmata nei microattuatori mediante l'elaborazione a bordo dei segnali chimici.

Professor Stephen Mann, co-direttore del Max Planck Bristol Centre for Minimal Biology (MPBC) a Bristol, ha dichiarato:"Abbiamo un interesse di lunga data nelle tecnologie di protoliving. Una sfida chiave è come interfacciare le comunità di protocellule con il loro ambiente per produrre relazioni funzionali. Il nuovo lavoro fornisce un passo in questa direzione poiché illustra come i processi chimici endogeni possono essere accoppiati ai loro ambiente energizzato per produrre un micro-sistema chemio-meccanico programmabile".

Dottor Ning Gao, anche presso l'MPBC e la School of Chemistry dell'Università di Bristol hanno aggiunto:"Speriamo che il nostro approccio motiverà la fabbricazione di nuovi tipi di microstrutture adattive morbide che operano attraverso maggiori livelli di autonomia".