Una caratteristica delle storie di fantascienza per decenni, Il potenziale dei nanorobot spazia dalla diagnosi del cancro e dalla somministrazione di farmaci alla riparazione dei tessuti e altro ancora. Un grosso ostacolo a questi sforzi, però, sta trovando un modo per realizzare a basso costo un sistema di propulsione per questi dispositivi. Nuovi sviluppi possono ora spingere i nanonuotatori dalla fantascienza alla realtà grazie all'aiuto inaspettato dei batteri.

Un team di ricerca internazionale ha dimostrato una nuova tecnica per placcare la silice sui flagelli, le code a forma di elica che si trovano su molti batteri, per produrre robot natatori su nanoscala. Come riportato questa settimana in Materiali APL , i nanonuotatori biomodelli del gruppo fanno girare i loro flagelli grazie a campi magnetici rotanti e possono funzionare quasi come i batteri viventi.

"Abbiamo dimostrato per la prima volta la capacità di utilizzare flagelli batterici come modello per la costruzione di eliche inorganiche, " ha detto Min Jun Kim, uno degli autori del saggio. "Questa è un'idea piuttosto trasformativa e avrà un grande impatto non solo sulla medicina ma anche su altri campi".

Rispetto alle forme più grandi di movimento acquatico, il nanonuoto dipende dalla comprensione del numero di Reynolds, le quantità adimensionali che riguardano la velocità del fluido, viscosità e la dimensione degli oggetti nel fluido. Con un numero di Reynolds di un milionesimo nostro, i batteri devono usare un movimento non reciproco in quasi assenza di forze inerziali. Usando code elicoidali costituite da una proteina chiamata flagellina, molte specie di batteri navigano in queste condizioni microscopiche con relativa facilità.

"Se fossimo ridotti alle dimensioni di un batterio, non saremmo in grado di usare la rana per muoverci nell'acqua, " disse Kim. "Se i batteri fossero grandi come noi, potevano nuotare 100 metri in circa due secondi."

Altri metodi recentemente sviluppati per costruire queste strutture elicoidali impiegano complicati approcci top-down, comprese le tecniche che coinvolgono nanocinture o laser a scorrimento automatico. L'uso di questa attrezzatura specializzata può portare a costi di avvio molto elevati per la costruzione di nanorobot.

Anziché, La squadra di Kim ha usato un approccio dal basso verso l'alto, prima coltivando un ceppo di Salmonella typhimurium e rimuovendo i flagelli. Hanno quindi usato soluzioni alcaline per fissare i flagelli nella forma e nel passo desiderati, a quel punto hanno placcato le proteine ​​con silice. Dopo di che, il nichel è stato depositato sui modelli di silice, permettendo loro di essere controllati da campi magnetici.

"Una sfida era assicurarci di avere eliche con la stessa chiralità. Se ruoti un'elica sinistrorsa e un'elica destrorsa allo stesso modo, andranno in direzioni diverse, " ha detto Kim.

Il team ha fatto un giro con i loro nanorobot. Quando esposto a un campo magnetico, i nanorobot hanno tenuto il passo con le loro controparti batteriche e si prevedeva che sarebbero stati in grado di coprire 22 micrometri, più di quattro volte la loro lunghezza, in un secondo. In aggiunta a questo, il team è stato in grado di guidare i nanonuotatori in percorsi a forma di otto.

Mentre Kim ha affermato di vedere il potenziale per le eliche su nanoscala non conduttrici nell'area delle terapie mirate contro il cancro, ha aggiunto che con il lavoro della sua squadra, si potrebbero placcare materiali conduttivi ai flagelli e produrre materiali elicoidali per l'elettronica e la fotonica.