Il comportamento a sciame di circa 100 milioni di macchine molecolari può essere controllato applicando semplici stimoli meccanici come l'estensione e la contrazione. Questo metodo potrebbe portare allo sviluppo di nuove macchine molecolari brulicanti e di piccoli dispositivi per il risparmio energetico.

Le molecole brulicanti in movimento allineate in una direzione, modelli a zigzag esposti, o formato un vortice che risponde a stimoli meccanici variabili. Potrebbero persino riparare da soli lo schema in movimento dopo un'interruzione, secondo uno studio condotto da scienziati dell'Università di Hokkaido.

Negli ultimi anni, molti scienziati hanno compiuto sforzi per miniaturizzare le macchine trovate nel mondo macroscopico. I vincitori del Nobel per la chimica 2016 sono stati premiati per la loro eccezionale ricerca sulle macchine molecolari e sulla progettazione e sintesi di nanomacchine.

Negli studi precedenti, il gruppo di ricerca guidato dal Professore Associato Akira Kakugo dell'Università di Hokkaido ha sviluppato macchine molecolari costituite da proteine ​​motorie chiamate chinesine e microtubuli, che ha mostrato vari comportamenti sciamatura. "Lo sciame è un concetto chiave nella robotica moderna. Dà alle macchine molecolari nuove proprietà come robustezza e flessibilità che una singola macchina non può avere, " dice Akira Kakugo. "Tuttavia, stabilire una metodologia per controllare i comportamenti di sciamatura è stata una sfida".

Nell'attuale studio pubblicato su ACS Nano , il team ha utilizzato lo stesso sistema che comprende chinesine e microtubuli proteici motori, entrambi bioingegnerizzati. Le chinesine sono fissate su una superficie di substrato in elastomero, e i microtubuli sono semoventi sulle chinesine, alimentato dall'idrolisi di adenosina trifosfato (ATP).

"Poiché sappiamo che l'applicazione di sollecitazioni meccaniche può svolgere un ruolo chiave nella formazione di schemi per le materie attive, abbiamo studiato come la deformazione del substrato elastomerico influenzi i modelli di sciamatura delle macchine molecolari, "dice Akira Kakugo.

Estendendo e contraendo il substrato elastomerico, la stimolazione meccanica viene applicata a circa 100 milioni di microtubuli che corrono sulla superficie del substrato. I ricercatori hanno scoperto per la prima volta che i microtubuli formano modelli d'onda quando non viene applicato alcuno stress. Quando il substrato viene espanso e contratto 1,3 volte o più una volta, quasi tutti i 100 milioni di microtubuli allineati perpendicolarmente all'asse di espansione e contrazione, e quando il substrato viene espanso e contratto 1,3 volte o meno in modo ripetibile, ha creato motivi a zigzag posizionati in direzioni diagonali.

La loro simulazione al computer ha suggerito che gli angoli di orientamento dei microtubuli corrispondono alla direzione per ottenere un movimento regolare senza deformazioni, che è ulteriormente amplificato dalla migrazione collettiva dei microtubuli.

Un'altra scoperta importante è stata che lo schema in movimento dei microtubuli può essere modulato applicando nuovi stimoli meccanici e può essere autoriparato anche se la disposizione dei microtubuli è disturbata graffiandone una parte.

"I nostri risultati possono contribuire allo sviluppo di nuove macchine molecolari che eseguono il movimento collettivo e potrebbero anche aiutare a far progredire le tecnologie per piccoli dispositivi a risparmio energetico, " ha commentato Akira Kakugo.