Sulla catena di montaggio nano, minuscoli tubi biologici chiamati microtubuli fungono da trasportatori per l'assemblaggio di diversi oggetti molecolari. Credito:Samuel Hertig
Macchine, gli aerei e molti prodotti elettronici sono ora costruiti con l'aiuto di sofisticate linee di assemblaggio. vettori di montaggio mobili, su cui sono fissati gli oggetti, sono una parte importante di queste catene di montaggio. Nel caso di carrozzeria, gli elementi di montaggio sono fissati in varie fasi di lavoro disposte in una precisa sequenza spaziale e cronologica, risultando in un veicolo completo alla fine della linea.
La creazione di una tale catena di montaggio a livello molecolare è stato un sogno di lunga data di molti nanoscienziati. "Ci consentirebbe di assemblare nuove sostanze o materiali complessi per applicazioni specifiche, "dice la professoressa Viola Vogel, capo del Laboratorio di Meccanobiologia Applicata dell'ETH di Zurigo. Vogel ha lavorato a questo ambizioso progetto insieme al suo team e recentemente ha fatto un passo avanti. In un articolo pubblicato nell'ultimo numero della Royal Society of Chemistry's Laboratorio su un chip rivista, i ricercatori dell'ETH hanno presentato una linea di assemblaggio molecolare dotata di tutti gli elementi di una linea di produzione convenzionale:un vettore mobile di assemblaggio, un oggetto di assemblaggio, componenti di assemblaggio fissati a varie stazioni di assemblaggio e un motore (compreso il carburante) per il supporto di assemblaggio per trasportare l'oggetto da una stazione di assemblaggio all'altra.
Linea di produzione tre volte più sottile di un capello
A livello nanometrico, la catena di montaggio assume la forma di una piattaforma microfluida nella quale viene pompata una soluzione acquosa. Questa piattaforma è essenzialmente un sistema di canali con il canale principale largo appena 30 micrometri, tre volte più sottile di un capello umano. Diversi afflussi e deflussi portano da e verso il canale ad angolo retto. La piattaforma è stata sviluppata dallo studente di dottorato di Vogel's Dirk Steuerwald e il prototipo è stato creato nella camera bianca dell'IBM Research Zurich a Rüschlikon.
Il sistema di canali è dotato di un tappeto costituito dalla chinesina proteica motoria. Questa proteina ha due teste mobili che vengono mosse dalla molecola ricca di energia ATP, che fornisce energia alle cellule dell'uomo e di altre forme di vita e quindi lo rende il carburante preferito in questo sistema artificiale.
Il vettore di assemblaggio si muove attraverso diverse camere di reazione in cui diverse molecole si legano alla sua superficie. Il grafico sottostante mostra la traiettoria di una singola navetta. Credito:da Steuerwald et al. 2014
Assemblare le molecole passo dopo passo
I ricercatori dell'ETH hanno utilizzato i microtubuli come vettori di assemblaggio. I microtubuli sono polimeri proteici simili a stringhe che insieme alla chinesina trasportano il carico intorno alle cellule. Con le sue teste mobili, la chinesina si lega ai microtubuli e li spinge in avanti lungo la superficie del dispositivo. Questa propulsione è ulteriormente supportata dalla corrente generata dal fluido pompato nel sistema di canali. Cinque afflussi e deflussi dirigono la corrente nel canale principale e lo dividono in segmenti rigorosamente separati:un'area di carico, da dove partono i trasportatori di montaggio, due stazioni di montaggio e due stazioni finali, dove viene consegnato il carico.
I ricercatori possono aggiungere gli oggetti al sistema attraverso le linee che alimentano i segmenti di assemblaggio. Nel loro lavoro più recente, hanno testato il sistema utilizzando NeutrAvidin, la prima molecola che si lega al nanoshuttle. Un secondo componente – un singolo, breve filamento di materiale genetico (DNA) - quindi si lega alla NeutrAvidin, creando un piccolo complesso molecolare.
Le applicazioni tecniche sono ancora lontane
Sebbene il team di Vogel's abbia realizzato un sogno di lunga data con questo lavoro, il professore dell'ETH resta cauto:"Il sistema è ancora agli inizi. Siamo ancora lontani da un'applicazione tecnica". Vogel crede di aver semplicemente dimostrato che il principio funziona.
Sottolinea che sebbene la costruzione di un tale sistema di nanoshuttle molecolari possa sembrare facile, un grande sforzo creativo e la conoscenza di diverse discipline va in ogni singolo componente del sistema. La creazione di un'unità funzionale da singoli componenti rimane una grande sfida. "Abbiamo riflettuto molto su come progettare le proprietà meccaniche dei legami per legare il carico alle navette e poi scaricarlo di nuovo nel posto giusto".
L'uso di motori biologici per applicazioni tecniche non è facile. I motori molecolari come la chinesina devono essere rimossi dal loro contesto biologico e integrati in un'entità artificiale senza alcuna perdita della loro funzionalità. I ricercatori hanno anche dovuto considerare come costruire i carrelli di assemblaggio e come sarebbero apparsi i "binari" e le stazioni di assemblaggio. "Questi sono tutti problemi separati che ora siamo riusciti a combinare in un insieme funzionante, "dice Vogel.
Prodotti sofisticati dalla catena di montaggio nano
I ricercatori prevedono numerose applicazioni, compresa la modifica selettiva di molecole organiche come proteine e DNA, l'assemblaggio di componenti nanotecnologici o piccoli polimeri organici, o l'alterazione chimica dei nanotubi di carbonio. "Dobbiamo continuare a ottimizzare il sistema e saperne di più su come possiamo progettare i singoli componenti di questo sistema di nanoshuttle per rendere possibili queste applicazioni in futuro, " afferma il professore dell'ETH. Le condizioni per ulteriori ricerche in questo campo sono eccellenti:il suo gruppo fa ora parte del nuovo NCCR di Basilea – Ingegneria dei sistemi molecolari:Ingegneria di moduli molecolari funzionali alle fabbriche.
