I ricercatori di Princeton hanno imparato a sfruttare la sottilissima impalcatura che mantiene la struttura delle cellule viventi e l'hanno utilizzata per sviluppare una piattaforma nanotecnologica. La tecnica alla fine potrebbe portare a progressi nella robotica morbida, in nuove medicine e nello sviluppo di sistemi sintetici per il trasporto biomolecolare ad alta precisione.
In un articolo, "Costruire circuiti citoscheletrici su chip tramite reti di microtubuli ramificati" pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences , i ricercatori hanno dimostrato un metodo che consente loro di controllare con precisione la crescita delle reti di biopolimeri come quelle che fanno parte dello scheletro cellulare. Sono stati in grado di costruire queste reti su un microchip, formando un tipo di circuito che funziona con segnali chimici anziché elettrici.
All'interno delle cellule, le proteine della tubulina formano bastoncini lunghi e incredibilmente sottili chiamati microtubuli. Reti di microtubuli crescono come radici di alberi in sistemi ramificati che formano un elemento primario del citoscheletro, che dà forma alle cellule e consente loro di dividersi.
Oltre a contribuire a mantenere la forma della cellula, l'impalcatura microtubulare funziona anche come una ferrovia molecolare. Le proteine motrici specializzate trasportano carichi molecolari lungo i filamenti dei microtubuli. Lievi cambiamenti nella composizione molecolare dei microtubuli agiscono come segnali per regolare i percorsi dei trasportatori chimici, inviando carichi utili molecolari alle loro destinazioni.
A Princeton, le domande su queste reti intracellulari hanno portato a una collaborazione tra Sabine Petry, professore associato di biologia molecolare, e Howard Stone, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale specializzato in meccanica dei fluidi.
"I sistemi biologici a cui ci siamo ispirati erano gli assoni", ha affermato Meisam Zaferani, uno dei ricercatori principali. "Gli assoni sono lunghe sporgenze che escono da un neurone e consentono il trasporto molecolare diretto."
Nel sistema nervoso, le reti di microtubuli funzionano sia come strutture che collegano le cellule nervose sia come mezzo per il sistema nervoso per trasmettere segnali chimici che producono sensazioni. Zaferani ha affermato che gli scienziati stanno ancora lavorando per comprendere gli elementi della crescita dei microtubuli e le proprietà chimiche. Ma ha detto che il gruppo di ricerca voleva sapere se era possibile sfruttare le reti per applicazioni pratiche.
"Ingegneri e fisici hanno iniziato a studiare i microtubuli come componenti per costruire nuovi materiali e tecnologie", ha affermato. "Ci sono molti misteri sulle loro proprietà fondamentali, ma ne sappiamo abbastanza per iniziare a pensare a come potremmo progettare questi sistemi."
Con il co-ricercatore Ryungeun Song, Zaferani ha lavorato per creare un sistema per controllare la crescita dei microtubuli nei laboratori delle camere bianche del Princeton Materials Institute.
Utilizzando apparecchiature specializzate nella micro/nanofabbricazione e nella microfluidica, i ricercatori hanno controllato con precisione la crescita dei rami dei microtubuli. Sono stati in grado di regolare l'angolo e la direzione della crescita e sono stati in grado di creare microstrutture in cui era regolata la direzione di crescita dei microtubuli.
Zaferani ha affermato che il Materials Institute offre un mix unico di attrezzature e competenze che sarebbe difficile trovare altrove.
I ricercatori intendono proseguire dirigendo il carico chimico lungo i rami dei microtubuli. L’obiettivo è costruire un sistema di trasporto chimico controllabile. In uno sforzo correlato, stanno anche esaminando l'uso delle reti di microtubuli come uno strumento come le micropinzette che esercitano una forza fisica su oggetti incredibilmente piccoli.
Il gruppo di ricerca di Petry collabora da tempo con Stone, il Donald R. Dixon del '69 e Elizabeth W. Dixon Professore di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, all'intersezione tra biologia e dinamica dei fluidi. Assunsero Song, un ingegnere meccanico che si era concentrato sulla microfluidica nel suo lavoro di laurea; e Zaferani, un biofisico che aveva studiato i segnali che aiutano gli spermatozoi dei mammiferi a dirigersi verso un ovulo.
Stone, che collabora spesso con colleghi di ingegneria e scienze naturali, ha affermato che la combinazione di competenze provenienti da diverse discipline spesso porta a risultati notevoli.
"Trovo molto interessante trovare problemi che coinvolgono la meccanica dei fluidi in altri campi", ha affermato. "Spesso trovo un argomento che è poco compreso dagli scienziati dall'altra parte e poco compreso da me, e insieme lavoriamo per capirlo."
Ulteriori informazioni: Meisam Zaferani et al, Costruzione di circuiti citoscheletrici su chip tramite reti di microtubuli ramificati, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2315992121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università di Princeton
