Linea di assemblaggio in formato nano
I ricercatori dell'ETH hanno realizzato un sogno a lungo inseguito: hanno sviluppato una minuscola linea di produzione basata su un modello industriale utilizzato per assemblare molecole biologiche.
Oggi le automobili, gli aerei e molti prodotti elettronici vengono assemblati passo dopo passo con l'aiuto di sofisticate catene di montaggio. I componenti chiave di queste linee sono i supporti di assemblaggio mobili su cui vengono fissati gli oggetti, come la carrozzeria di un'automobile. Le parti da assemblare vengono fissate alla carrozzeria in numerose fasi di lavoro, la cui sequenza è definita con precisione in termini di spazio e tempo, fino a quando il veicolo viene assemblato alla fine della linea.
Trasferire una simile catena di montaggio a livello molecolare è stato a lungo il sogno di molti nanoscienziati. "Ciò consentirebbe di assemblare in modo specifico nuove sostanze o materiali complessi", afferma Viola Vogel, professoressa di meccanobiologia applicata presso l'ETH di Zurigo. Lei e il suo team hanno intrapreso questo ambizioso progetto e ora possono vantare un grande successo. In una pubblicazione appena apparsa sulla rivista della Royal Society of Chemistry "Lab on a Chip", i ricercatori dell'ETH presentano una catena di montaggio molecolare che contiene tutti gli elementi di una catena di produzione familiare nella vita quotidiana: Un supporto di assemblaggio mobile e un oggetto di assemblaggio, parti da assemblare, che vengono assemblate in diverse stazioni; inoltre un motore per il supporto di assemblaggio, compreso il carburante, in modo che il supporto di assemblaggio con l'oggetto possa spostarsi da una stazione di produzione all'altra.
Linea di assemblaggio tre volte più sottile di un capello
La linea di assemblaggio in miniatura è progettata come una piattaforma microfluidica in cui viene pompata una soluzione acquosa. Questa piattaforma è essenzialmente un sistema di canali. Il canale principale è largo appena 30 micrometri, circa tre volte più sottile di un capello umano. Diversi afflussi e deflussi vi confluiscono ad angolo retto. La piattaforma è stata sviluppata da Dirk Steuerwald, dottorando di Vogel. Il prototipo è stato realizzato nella camera bianca dell'IBM Research Zurich a Rüschlikon.
Il sistema di canali è rivestito da un tappeto della "proteina motore" chinesina. Questa proteina ha due teste mobili il cui movimento è provocato dalla molecola ricca di energia ATP. L'ATP fornisce energia alle cellule dell'uomo e di altri esseri viventi ed è quindi il combustibile preferito in questo sistema artificiale.
Assemblaggio passo-passo di molecole
I ricercatori dell'ETH hanno utilizzato i cosiddetti microtubuli, polimeri proteici filamentosi che trasportano le merci nelle cellule insieme alla chinesina, come vettori di assemblaggio. La chinesina può legarsi ai microtubuli con le sue teste mobili e muovere i microtubuli spostandoli. Questo movimento è supportato dal flusso di fluido pompato nel sistema di canali. Cinque ingressi e uscite assicurano un flusso diretto nel canale principale e lo dividono in segmenti chiaramente separati che non si mescolano: un'area di atterraggio in cui vengono inseriti i carrier di assemblaggio, due stazioni di assemblaggio e altre due aree come stazioni finali in cui viene consegnato il prodotto.
I ricercatori possono portare gli oggetti nel sistema Chi siamo attraverso le linee di alimentazione ai segmenti di assemblaggio. Nel loro lavoro più recente, i ricercatori hanno lavorato con la molecola neutravidina, che è la prima a legarsi al nanoshuttle, a scopo di test. Un breve pezzo di materiale genetico a singolo filamento (DNA) si lega alla neutravidina come secondo elemento costitutivo, creando un piccolo complesso molecolare.
La strada dal principio all'applicazione è ancora lunga
Sebbene con questo lavoro il team di Viola Vogel abbia realizzato un sogno a lungo inseguito, l'ETH è ancora cauto: "Il sistema è ancora in fase embrionale e siamo ben lontani da un'applicazione tecnica".
L'autrice sottolinea che sembra abbastanza facile costruire un sistema di nano-shuttle molecolare di questo tipo. Tuttavia, ogni singolo componente del sistema comporta una grande quantità di pensiero e di conoscenze provenienti da varie discipline. Creare un'unità funzionale a partire dai singoli componenti è ancora una sfida importante. "Abbiamo anche pensato molto a come progettare le proprietà meccaniche dei legami per caricare le navette con il loro carico e rimuoverlo nel punto giusto".
Utilizzare i motori biologici per applicazioni tecniche non è facile. I motori molecolari come la chinesina devono essere rimossi dal loro contesto biologico e incorporati in una struttura artificiale senza perdere la loro funzionalità. I ricercatori hanno anche dovuto pensare a come rifornire i motori di energia, a come umwelt und Geomatik e a come sarebbero state le "rotaie" e le stazioni di assemblaggio. "Sono tutti problemi separati che ora siamo riusciti a combinare in un insieme funzionante", afferma soddisfatto Vogel.
Prodotti sofisticati dalla linea di nanoassemblaggio
I ricercatori hanno in mente numerose applicazioni potenziali, come la modifica mirata di biomolecole come proteine o DNA, l'assemblaggio di blocchi di costruzione nanotecnologici o piccoli biopolimeri, nonché la modifica chimica di nanotubi di carbonio. "Il sistema deve essere ulteriormente ottimizzato in futuro e dobbiamo continuare a imparare molto su come progettare i singoli componenti di questo sistema di nano navetta, in modo che un giorno sia deciso per queste applicazioni", afferma il giorno dell'ETH. Le condizioni per proseguire la ricerca in questo campo sono eccellenti: Il suo gruppo fa ora parte del nuovo Centro nazionale di competenza per la ricerca (NCCR) "Ingegneria dei sistemi molecolari: progettare moduli molecolari funzionali per le fabbriche", con sede a Basilea.
Letteratura di riferimento
Steuerwald D, Früh SM, Griss R, Lovchik RD, Vogel V. Nanosonde spinte da proteine motrici assemblano in sequenza il carico molecolare in un dispositivo microfluidico. Lab on a chip, Royal Society of Chemistry 2014, pubblicato online il 25 giugno, DOI: pagina esterna10.1039/c4lc00385c