I ricercatori della McGill University ritengono di aver trovato un modo per migliorare lo sviluppo di biomateriali che potrebbero essere strumentali alla somministrazione di farmaci, rigenerazione dei tessuti, nano-ottica e nanoelettronica.

Il gruppo, guidato da Hanadi Sleiman, Professore ordinario e cattedra di ricerca canadese di livello 1 in nanoscienze del DNA presso il Dipartimento di chimica, ha sviluppato un metodo ispirato al modo in cui la natura ripara i materiali difettosi per creare forme più robuste. Hanno usato la radiazione di una fotocamera di uno smartphone per "rilassare" le strutture basate sul DNA e creare materiali realistici che possono essere variati su richiesta e utilizzati per vari scopi.

A quali domande ti sei prefissato di rispondere?

Eravamo interessati alla possibilità di sviluppare nuove procedure chimiche che potessero imitare meglio i processi naturali e creare biomateriali realistici con strutture varie e malleabili che potessero essere utilizzate nella scienza dei materiali e nell'ingegneria dei tessuti. La natura usa l'input e la trasformazione costanti dell'energia per modulare la forma e la funzione dei suoi sistemi chimici. In tessuti come il collagene, questa conversione di energia si traduce in fibre con proprietà diverse, portando a variazioni nella loro elasticità e robustezza. In contrasto, le fibre sintetiche sono realizzate utilizzando procedure di produzione statiche e non offrono questi comportamenti dinamici, rendendo difficile la regolazione delle loro proprietà.

In questo studio, abbiamo cercato di accoppiare le fibre di DNA supramolecolare con una piccola molecola sensibile alla luce per introdurre dinamicità in queste strutture, in un modo simile a come la natura controlla la funzione dei tessuti biologici. Il DNA è un materiale da costruzione attraente per la generazione di nuove architetture fibrose grazie al suo assemblaggio prevedibile e alle proprietà di riconoscimento molecolare. È anche intrinsecamente dinamico, rendendolo un candidato ideale per produrre materiali biocompatibili con proprietà sintonizzabili.

Cosa hai trovato?

Quando questi componenti vengono miscelati a temperatura ambiente, si assemblano in triple eliche di DNA che si combinano in fibre di lunghezza di micron, che poi si interconnettono e crescono in grandi, reti intricate. Queste architetture hanno difetti strutturali, limitando la loro utilità nella scienza dei materiali e nelle applicazioni di ingegneria dei tessuti.

Per rimediare a questo problema, abbiamo utilizzato un sistema fotochimico per regolare l'assemblaggio di strutture a base di DNA e sviluppato una procedura in cui le fibre vengono smontate dopo l'irradiazione da una fotocamera per smartphone, quindi sequestrando singoli filamenti di DNA in un'alta energia, DNA a doppio filamento. Quando la luce è spenta, i filamenti di DNA vengono rilasciati lentamente dal loro deposito di stoccaggio ad alta energia, e le fibre si ricompongono.

Abbiamo scoperto che quando si è verificato questo rilassamento dall'alta energia, il prodotto interbloccato iniziale non è stato riformato:invece, singole fibre aggregate parallelamente l'una all'altra, generando "nanocavi" spessi con proprietà meccaniche migliorate e stabilità termiche più elevate.

Utilizzando il nostro approccio fotochimico, il percorso di assemblaggio della polimerizzazione è alterato, impatto sulla struttura della fibra locale. Le fibre formate utilizzando la nostra strategia hanno meno difetti strutturali rispetto a quelle coltivate senza attivazione del ciclo. Le nostre singole fibre più "perfette" vengono così impedite di ramificarsi e sono invece incoraggiate ad aggregarsi lungo il loro asse di polimerizzazione, dando vita a cavi robusti e organizzati.

Perché i risultati sono importanti?

Uno dei progressi di questo lavoro è lo sviluppo di nuovi metodi di caratterizzazione (in collaborazione con il laboratorio del Prof. Gonzalo Cosa) per comprendere l'assemblaggio a livello di singola fibra. Mentre le tecniche di fluorescenza a singola molecola sono state ampiamente utilizzate per studiare i sistemi biologici, questo studio segna la prima osservazione diretta dei diversi meccanismi di polimerizzazione supramolecolare, e il primo test ottico sviluppato per sondare l'eterogeneità dei polimeri supramolecolari.

Prevediamo che queste nuove metodologie saranno ampiamente applicabili allo studio di materiali sia naturali che sintetici e potrebbero fornire importanti informazioni su come la natura controlla le proprietà dei suoi tessuti funzionali, consentendo agli scienziati di produrre materiali più dinamici e sintonizzabili.

Quando identifichiamo le imperfezioni all'interno di un materiale, possiamo smontarlo e cambiare il percorso del suo rimontaggio per affinare la struttura. Ciò si traduce in biomateriali più robusti che possono essere utilizzati come impalcature per la crescita cellulare, rigenerazione dei tessuti, e organizzazione dei nanomateriali.