Umwelt und Geomatik: costruire cellule artificiali

Questo articolo è stato pubblicato su Globe 2/2013:

Daniel Müller è un fisico di formazione e costruisce macchine. La particolarità è che le sue macchine sono così piccole da entrare in una cellula. Per essere più precisi: in una cellula artificiale. I componenti delle macchine sono molecole, come le proteine. "Il nostro modello è la natura", spiega Müller, professore di bionanotecnologie presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria (D-BSSE) dell'ETH di Zurigo a Basilea. "Vogliamo capire con precisione i processi delle cellule, imitarli e infine umwelt und Geomatik in base alle nostre esigenze".

Sembra semplice, ma in realtà è incredibilmente complicato. Perché in una cellula naturale ci sono 100.000 proteine diverse che svolgono compiti altamente specifici. Sono note anche come macchine molecolari. Ad esempio, agiscono come recettori e trasportano sostanze o segnali.

Una sfida per gli scienziati è semplicemente quella di osservare i processi nella cellula vivente, cosa difficilmente possibile con i metodi attuali. I ricercatori sono in grado di riprodurre alcuni processi in vitro, cioè in provetta, utilizzando singole proteine isolate dalla cellula. Possono anche osservare queste proteine al lavoro utilizzando una microscopia ad altissima risoluzione. Tuttavia, la complessità dei processi in una cellula vivente, con tutte le sue influenze e i meccanismi di feedback, non può essere compresa in questo modo.

Una cellula vivente cambia continuamente stato. E questo cambia anche lo stato delle macchine molecolari. Uno degli obiettivi del gruppo di ricerca di Müller al D-BSSE è quindi quello di sviluppare nuovi metodi che permettano di descrivere esattamente come la cellula regola le sue macchine molecolari. "Se sapremo come sono regolate queste macchine molecolari, avremo ottenuto molto", dice Müller, "perché poi, in un ulteriore passo, potremo anche influenzare in modo specifico la cellula e le sue macchine molecolari".

Copiato dai batteri

Ma Müller e i suoi partner di ricerca nel progetto Nanocell, finanziato dall'UE, stanno facendo un passo avanti. Si sono posti l'obiettivo di costruire macchine molecolari che possano essere inserite in una cellula artificiale come blocchi di costruzione. Lì svolgeranno compiti controllati che non esistono in natura. A questo ambizioso progetto partecipano ricercatori del D-BSSE, delle Università di Basilea e Berna, degli Istituti Max Planck di Francoforte e Gottinga, dell'Università di Oxford e di Madrid.

Tra l'altro, i ricercatori hanno modellato il loro lavoro su un meccanismo presente in natura che viene utilizzato da alcuni batteri, noti come salini o alobatteri, per generare energia. La proteina bacteriorhodopsin svolge un ruolo importante in questo processo. La proteina si trova nella membrana cellulare degli alobatteri, che la utilizzano per convertire la luce in energia.

Agisce come una macchina molecolare azionata dall'energia luminosa che pompa protoni. In un processo chimico a più stadi avviato dalla luce, i protoni vengono trasportati da un lato all'altro della membrana cellulare.

La nanocellula come aspirapolvere

"Simili pompe protoniche guidate dalla luce si trovano ovunque", afferma Müller. La cosa interessante è che in natura esistono pompe fotoelettriche molto diverse tra loro, ognuna delle quali reagisce a frequenze luminose specifiche. E ci sono quasi 1000 diversi trasportatori che possono raccogliere molecole altamente specifiche e trasportarle con l'aiuto dei protoni. Secondo Müller, questo ha dato origine all'idea di base di Nanocell: "Stiamo costruendo una sorta di aspirapolvere azionato dalla luce su scala nanometrica", dice, descrivendo il principio centrale.

La nanocellula, cioè la cellula artificiale, è costituita da una minuscola vescicola, una vescicola lipidica di dimensioni comprese tra 50 e 200 nanometri. Nella sua membrana sono incorporate proteine che agiscono come pompe protoniche guidate dalla luce. A seconda delle sostanze da trasportare, i ricercatori vogliono combinare la pompa protonica corrispondente con un trasportatore adatto. Quando il modulo viene esposto alla frequenza luminosa appropriata, la pompa protonica si attiva, preleva le sostanze in questione dall'ambiente e le trasporta all'interno della cellula, dove vengono immagazzinate.

"Possiamo usarla per pulire l'ambiente, per così dire", spiega Müller. "Se combinata con una nanoparticella magnetica, la cellula e la tossina potrebbero essere semplicemente raccolte con un magnete e smaltite". Le macchine molecolari e i componenti del nanovacuum cleaner guidato dalla luce sono già in funzione in laboratorio.

In viaggio verso la nanofabbrica

È ipotizzabile anche il processo inverso. Le sostanze attive potrebbero essere trasportate fuori dall'interno della cellula con l'aiuto di una pompa protonica e rilasciate selettivamente. I ricercatori stanno attualmente lavorando su questo principio.

La variante più semplice rende già possibili applicazioni estremamente interessanti: Le nanocellule vengono riempite di principi medici attivi e iniettate nel corpo del paziente. Il medico può irradiarle con una speciale frequenza luminosa, che attiva la pompa protonica e rilascia i principi attivi.

Tuttavia, l'ambizione dei ricercatori va oltre, come spiega Müller: "Possiamo usare le pompe protoniche e i trasportatori guidati dai protoni per pompare le sostanze chimiche all'interno o all'esterno della cellula. Ora potremmo installare una catena di reazione biochimica minima all'interno della cellula". La catena di reazione assorbe le sostanze chimiche.
e utilizzarle per sintetizzare in loco l'ingrediente attivo richiesto, ad esempio l'insulina. "Si potrebbero lasciare le vescicole nel sangue del paziente e attivare la produzione con la luce ogni volta che manca l'insulina", dice Müller.

In definitiva, sarebbe possibile immaginare intere catene di produzione composte da nanocellule con funzioni diverse disposte in fila - un'intera nanofabbrica, per così dire. Ma la strada è ancora lunga. Attualmente i ricercatori stanno lavorando con quattro o sei proteine.

Riuscire a fornire centinaia di diverse nanocellule personalizzate con le proteine e le funzioni corrispondenti praticamente a portata di mano: questo è l'obiettivo a lungo termine: un kit di costruzione che fornisca fabbriche molecolari personalizzate. Gli scienziati hanno già un nome: ingegneria dei sistemi molecolari. Hanno appena proposto al Fondo Nazionale Svizzero la formazione di un Centro Nazionale di Competenza per la Ricerca.