Nanoscienziati e chimici di fama mondiale Chad Mirkin, il Direttore dell'International Institute for Nanotechnology (IIN) presso la Northwestern University, e Teri Odom, il direttore associato dell'IIN, sedersi per discutere dell'età d'oro della miniaturizzazione e di come la "scienza delle piccole cose" stia favorendo grandi progressi.

L'IIN, fondata nel 2000, sta facendo grandi passi avanti nella nanotecnologia e sta prosperando alla grande. La nanoscienza e la tecnologia, un campo incentrato sullo studio e sulla manipolazione di molecole e materiali con dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri (1 nm =un miliardesimo di metro) sono state anticipate nel 1959 dal fisico Richard Feynman e rese possibili con l'avvento di l'elettrone e il microscopio a effetto tunnel negli anni '80. Sta coinvolgendo scienziati di tutto il mondo in molte discipline. Stanno usando tali strumenti per esplorare, e alla fine risolvi, alcune delle questioni più urgenti al mondo in medicina, ingegneria, energia, e difesa.

Sediamo in una conversazione tra Mirkin e Odom per vedere dove è diretto questo eccitante campo.

D:Il tuo team ha scoperto la tecnologia dell'acido nucleico sferico (SNA), dove minuscole particelle possono essere decorate con brevi frammenti di DNA o RNA. Con la creazione di SNA, hai praticamente preso molecole conosciute, li ha riorganizzati su scala nanometrica in forme simili a palline, e ne ha modificato le proprietà. Qual è il potenziale di una tale scoperta, e quali scoperte entusiasmanti ci sono all'orizzonte?

Mirkin:Due aree davvero promettenti in cui stiamo applicando la tecnologia SNA sono la biomedicina e la regolazione genica:l'idea che si possano creare modi per utilizzare SNA a base di DNA e RNA come nuovi potenti farmaci. Per esempio, possiamo mettere SNA in creme disponibili in commercio, come Acquafora, e applicarli localmente per curare le malattie della pelle. Esistono più di 200 malattie della pelle con una base genetica nota, rendendo gli SNA basati su DNA e RNA una strategia generale per il trattamento delle malattie della pelle. I costrutti convenzionali di DNA e RNA basati su acidi nucleici lineari non possono essere consegnati in questo modo:non penetrano nella pelle. Ma, Gli SNA possono grazie alla loro architettura unica che cambia il modo in cui interagiscono con le strutture biologiche e, in particolare, recettori sulle cellule della pelle che li riconoscono, ma non DNA lineare o RNA. Gli SNA possono essere utilizzati anche per il trattamento di malattie della vescica, colon, polmone, e occhio, organi e tessuti che sono anche difficili da trattare con mezzi tradizionali.

D:La nanotecnologia è un campo multidisciplinare in cui la chimica, medicina e ingegneria si intersecano per creare soluzioni innovative per un'intera gamma di problemi. Un'area è la fotonica, dove i progressi su scala nanometrica stanno cambiando il modo in cui comunichiamo. Come?

Odom:Stiamo cercando di ridurre le dimensioni dei laser, che sono tipicamente dispositivi macroscopici, fino alla scala nanometrica. La capacità di progettare nanomateriali in grado di controllare la produzione e la guida della luce, che è composta da singole particelle chiamate fotoni, può trasformare una gamma di tecnologie diverse. Per esempio, la comunicazione basata su fotoni (come nelle fibre ottiche) vs. elettroni (come nei fili di rame) è più veloce e molto più efficiente. Le applicazioni che sfruttano la luce possono essere facilmente trasformate dalla nanotecnologia.

D:La nanotecnologia ha rivoluzionato le scienze di base, accelerando il loro impatto traslazionale. Per esempio, il tuo collega Samuel Stupp, direttore del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology alla Northwestern, è sul punto di condurre sperimentazioni cliniche sulla rigenerazione spinale attraverso scoperte nanotecnologiche "soft". La nanotecnologia ha rivoluzionato anche il metodo scientifico tradizionale, pure?

Mirkin:Il desiderio di trovare una soluzione a un dato problema porta spesso gli scienziati a sviluppare nuove capacità. Questa è la cosa eccitante della scienza in generale, ma sulle nanotecnologie in particolare:spesso abbiamo degli obiettivi, che sono guidati da esigenze ingegneristiche, ma lungo la strada scopriamo principi fondamentalmente interessanti che non avevamo previsto e che informano la nostra visione del mondo che ci circonda. Queste scoperte ci portano su nuovi percorsi, che potrebbero essere ancora più interessanti di quelli originali su cui ci trovavamo. Questa è la natura e l'importanza della ricerca scientifica di base.

Odom:Nano fornisce i fondamenti. Ma allora, ci adattiamo, sulla base di queste proprietà impreviste, pur tenendo a mente i nostri obiettivi a lungo termine. È abbastanza carino. Puoi adattarti in modi che mantengono la scoperta e la creatività in prima linea. Senza quello, saremmo tutti annoiati.

D:Il premio Nobel Sir Fraser Stoddart, John Rogers, William Dichtel, Milan Mrksich e Stupp sono solo alcuni dei tanti grandi nomi della comunità delle nanotecnologie nord-occidentali. Cosa sta facendo bene la Northwestern e qual è l'impatto globale?

Mirkin:Questi sono battitori pesanti, persone che possono andare ovunque nel mondo, ma hanno scelto di venire a Northwestern perché hanno riconosciuto che questo è un momento molto speciale della nostra storia. Siamo su una traiettoria incredibile qui, e vogliono farne parte.

Odom:Abbiamo un modo olistico di formare nuovi docenti e studenti laureati perché vogliamo che abbiano un quadro completo di tutto ciò che sta accadendo qui. È così che facciamo scienza alla Northwestern, e lo applichiamo davvero alla nanotecnologia. Parte del nostro successo come dipartimento di chimica è derivato dalla nostra capacità di creare cose, per misurarli, e per modellarli:mi piace pensare a questa integrazione come al principio delle "3M". I nostri risultati nella nanotecnologia sono stati costruiti su queste tre aree sinergiche di competenza.

Mirkin:Inizia davvero con un talento di livello mondiale, e poi collaborazione. Puoi collaborare quanto vuoi, ma se non hai talento di livello mondiale, non importa. Dal momento che stiamo andando all-in sul lato medico, in 15 anni sono passato da zero collaborazioni con la facoltà di medicina, ad avere ora 17. C'è un'interazione naturale qui tra i clinici, scienziati, e ingegneri che rendono il lavoro di tutti molto più forte. Entro i prossimi cinque anni, Prevedo che ci saranno trattamenti contro il cancro basati sulla nanotecnologia che miglioreranno notevolmente i risultati e, in alcuni sottogruppi di malattie, effettivamente porta a cure.