I nostri corpi sono costituiti da trilioni di cellule diverse, ciascuna delle quali svolge la propria funzione unica per mantenerci in vita. Come si muovono le cellule all'interno di questi sistemi estremamente complicati? Come fanno a sapere dove andare? E come hanno fatto a diventare così complicati all'inizio? Domande semplici ma profonde come queste sono al centro della ricerca di base guidata dalla curiosità, che si concentra sui principi fondamentali dei fenomeni naturali. Un esempio importante è il processo mediante il quale le cellule o gli organismi si muovono in risposta a segnali chimici nel loro ambiente, noto anche come chemiotassi.
Un gruppo di ricercatori provenienti da tre diverse unità di ricerca dell'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) si è riunito per rispondere a domande fondamentali sulla chemiotassi creando goccioline sintetiche per imitare i fenomeni in laboratorio, consentendo loro di isolare, controllare e studiare con precisione il fenomeni.
I loro risultati, che aiutano a rispondere alle domande sui principi del movimento nei sistemi biologici semplici, sono stati pubblicati nel Journal of The American Chemical Society .
"Abbiamo dimostrato che è possibile far migrare goccioline proteiche attraverso semplici interazioni chimiche", afferma Alessandro Bevilacqua, Ph.D. studente dell'Unità di Ingegneria ed Evoluzione delle Proteine e co-primo autore dell'articolo. Professoressa Paola Laurino, responsabile dell'unità e autrice senior. Laurino aggiunge che "hanno creato un sistema semplice che imita un fenomeno molto complesso e che può essere modulato attraverso l'attività enzimatica."
Tensioni in superficie
Anche se il processo di creazione delle goccioline potrebbe non sembrare il compito più complicato, imitare i processi biologici il più vicino possibile alla realtà mantenendo un controllo accurato su tutte le variabili lo è sicuramente. Le goccioline sintetiche e prive di membrana contengono una concentrazione molto elevata della proteina bovina BSA per imitare le condizioni di affollamento all'interno delle cellule, oltre all'ureasi, un enzima che catalizza la scomposizione dell'urea in ammoniaca.
L'ammoniaca è basica, cioè ha un valore pH elevato. Man mano che l'enzima catalizza gradualmente la produzione di ammoniaca, questa si diffonde nella soluzione, creando un "alone" di pH più elevato attorno alla gocciolina, che a sua volta consente alle goccioline di rilevare altre goccioline e di migrare l'una verso l'altra.
I ricercatori hanno scoperto che la chiave per comprendere la chemiotassi delle goccioline è il gradiente di pH, poiché facilita l'effetto Marangoni, che descrive come le molecole fluiscono da aree ad alta tensione superficiale a quelle a bassa tensione.
La tensione superficiale è la misura dell'energia necessaria per tenere insieme le molecole sulla superficie, come la colla. Quando il pH aumenta, questa colla si indebolisce, provocando la diffusione delle molecole e abbassando la tensione superficiale, che a sua volta facilita il movimento delle molecole. Puoi verificarlo aggiungendo del sapone, che ha un pH elevato, a un'estremità di una vasca da bagno con acqua naturale:l'acqua scorrerà verso l'estremità con il sapone per effetto Marangoni.
Quando due goccioline sintetiche sono abbastanza vicine, i loro aloni interagiscono, aumentando il pH nell’ambiente tra di loro, il che le fa muovere insieme. Poiché la tensione superficiale è ancora forte sulle estremità opposte delle goccioline, queste mantengono la loro forma finché le superfici non si toccano e le forze di coesione all'interno delle goccioline superano la tensione superficiale, facendole fondere. Poiché le goccioline più grandi producono più ammoniaca e hanno un'area superficiale più ampia (che diminuisce la tensione superficiale), attirano goccioline più piccole di loro stesse.
Collaborare su zuppe antiche e biotecnologie del futuro
Grazie allo sviluppo di queste goccioline, i ricercatori hanno fatto progressi nel rispondere a domande fondamentali sul movimento biologico e, così facendo, hanno acquisito informazioni sul movimento diretto delle prime forme di vita nel brodo primordiale miliardi di anni fa, come nonché un vantaggio nella creazione di nuovi materiali ispirati alla biologia.
La nostra conoscenza della vita come appariva miliardi di anni fa è, nella migliore delle ipotesi, confusa. Un'ipotesi importante è che la vita abbia avuto origine negli oceani, quando le molecole organiche si sono gradualmente assemblate e sono diventate più sofisticate in un "brodo primordiale" e questo potrebbe essere stato facilitato dalla chemiotassi attraverso l'effetto Marangoni.
"Sarebbe stato vantaggioso che le goccioline avessero questo meccanismo di migrazione nell'ipotetico scenario dell'origine della vita", come afferma il professor Laurino. Questa migrazione potrebbe aver innescato la formazione di vie metaboliche primitive in base alle quali gli enzimi catalizzano una varietà di sostanze che alla fine producono un gradiente chimico che unisce le goccioline, portando a comunità più grandi e sofisticate.
La ricerca punta anche avanti nel tempo, fornendo indicazioni sulle nuove tecnologie. "Un esempio è la creazione di materiali responsivi ispirati alla biologia", suggerisce Alessandro Bevilacqua. "Abbiamo dimostrato come semplici goccioline possano migrare grazie a un gradiente chimico. Un'applicazione futura di questo potrebbe essere quella delle tecnologie che rilevano o reagiscono ai gradienti chimici, ad esempio nella microrobotica o nella somministrazione di farmaci."
Il progetto è iniziato durante la pandemia di coronavirus, quando un membro dell’Unità di ingegneria ed evoluzione delle proteine era in quarantena con un membro dell’Unità Fluidi e flussi complessi. I due iniziarono a parlare e, sebbene le due unità provenissero da due campi disparati, rispettivamente biochimica e meccanica, il progetto si è evoluto in tandem. Alla fine, i membri dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidica si sono uniti al progetto con misurazioni sofisticate della tensione superficiale delle goccioline.
L'esclusivo ambiente di ricerca non disciplinare dell'OIST ha catalizzato la collaborazione. Come afferma il professor Laurino, "Questo progetto non sarebbe mai potuto esistere se fossimo stati separati dai dipartimenti. Non è stata una collaborazione facile, perché comunichiamo il nostro campo in modi molto diversi, ma essere fisicamente vicini ha reso tutto molto più semplice."
Alessandro Bevilacqua aggiunge:"Il fattore caffè è stato molto importante. La possibilità di sedersi con gli altri membri dell'unità ha reso il processo molto più rapido e produttivo." La loro collaborazione non si ferma qui, anzi, questo documento è l'inizio di una fruttuosa collaborazione tra le tre unità.
"Vediamo molta sinergia nel nostro lavoro, e lavoriamo insieme in modo efficace ed efficiente. Non vedo motivo per cui dovremmo fermarci", afferma il professor Laurino. È grazie agli sforzi congiunti delle tre unità che ora sappiamo di più sui minuscoli movimenti della vita su scala più piccola, più remota e forse futura.
Ulteriori informazioni: Mirco Dindo et al, Le interazioni chemiotattiche guidano la migrazione di goccioline attive senza membrana, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.4c02823
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito dall'Okinawa Institute of Science and Technology
