La melma delle profondità marine
Gli scienziati dell'ETH stanno conducendo una ricerca sulle straordinarie secrezioni del pesce ragno. Nei prossimi tre anni, i ricercatori vogliono scoprire come questo idrogel naturale possa essere utilizzato per gli esseri umani.
Questo animale ha fatto tutto bene. Esiste da 300 milioni di anni, è sopravvissuto ai dinosauri, al grande impatto dei meteoriti, alle fasi calde, alle glaciazioni - e abita ancora le profondità dei mari, dove vive di carogne o caccia prede. Tuttavia, il pesce megero dell'Atlantico non ha un aspetto attraente. Myxine glutinosa,La maggior parte delle persone lo troverebbe probabilmente disgustoso. Tuttavia, un gruppo di Fare ricerca all'ETH del Laboratorio di Ingegneria dei Processi Alimentari, guidato dal professore Erich Windhab ha trovato un grande favore. O più precisamente: il suo muco.
La melma è una delle cose più straordinarie prodotte dalla natura. Non appena un pesce ragno viene afferrato da un potenziale nemico, espelle una secrezione che si gelifica in poche frazioni di secondo, anche in acqua fredda. Questa secrezione è in grado di legare grandi quantità di acqua, formando una melma trasparente, viscosa e appiccicosa. I pesci che prendono di mira il gallo cedrone quasi soffocano a causa della melma, permettendo al gallo cedrone di fuggire dalla bocca dell'aggressore.
Un documentario televisivo come scintilla
Questo muco diventerà ora l'oggetto di un progetto di ricerca dell'ETH al quale lo studente di dottorato Lukas Böni, lo studente di master Lukas Böcker e il postdoc Patrick Rühs lavoreranno nei prossimi tre anni sotto la supervisione dello scienziato senior Simon Kuster del gruppo del professore Peter Fischer.
Kuster si è imbattuto in queste viscide creature marine due anni fa. Ha visto un documentario della BBC su Chi siamo e ne è rimasto affascinato. "Come chimico e ricercatore di materiali, mi sono subito chiesto di cosa fosse fatta la melma e come dovesse essere il materiale per legare una così grande quantità di acqua", dice Kuster.
Una ricerca preliminare ha mostrato ai ricercatori dell'ETH che la formazione della melma e il suo rilascio sono stati poco studiati e sono poco conosciuti. È noto che l'idrogel naturale del gallo cedrone ha due componenti principali: un filo proteico lungo circa 15-30 centimetri e le cosiddette mucine, che legano tra loro i fili e rendono la melma "viscida". Questo filo ha proprietà simili a quelle dei fili di ragno. È estremamente resistente agli strappi ed elastico, ma solo quando è umido, spiega Simon Kuster.
Questi componenti principali sono prodotti in speciali ghiandole. In queste ghiandole sono presenti due tipi di cellule che producono la proteina filamentosa o la mucina. In caso di pericolo, l'anguilla espelle improvvisamente queste cellule attraverso dei pori. Le membrane plasmatiche si rompono e i due componenti, cioè le proteine e le mucine, vengono rilasciati. Queste interagiscono e formano la matrice che "assorbe" e lega l'acqua.
La melma è composta da quasi il 100% di acqua e contiene solo lo 0,004% di "agente gelificante". O per dirla in altro modo: Il rapporto in peso tra "agente gelificante" e acqua è 26.000 volte superiore - Chi è 200 volte più della gelatina animale convenzionale. Per la gelificazione è necessaria pochissima energia.
I ricercatori dell'ETH sono rimasti particolarmente affascinati dal fatto che la proteina filamentosa è presente nelle cellule della ghiandola come una palla di 150 micrometri di diametro, ma nel muco come un filo allungato lungo diversi centimetri. Il modo esatto in cui avviene questo srotolamento è solo parzialmente compreso. "Tuttavia, l'avvolgimento all'interno della cellula è altamente specializzato e molto insolito", sottolinea Böni.
La scienza in garage
Per preparare il loro progetto, gli scienziati dell'ETH si sono recati più volte in Norvegia. Dopo una lunga ricerca, hanno trovato un partner di progetto ad Ålesund che aveva l'opportunità di catturare il pesce lupo dell'Atlantico in natura e di tenerlo in un acquario. "Prima di iniziare a lavorare con l'acquario, abbiamo effettuato i primi test preliminari sui pesci lupo in un garage e abbiamo portato con noi in Norvegia alcune infrastrutture di laboratorio dell'ETH", ha spiegato Fischer.
Trasportare gli animali a Zurigo, tuttavia, non ha senso. "Il trasporto li stresserebbe così tanto che secernerebbero muco per tutto il tempo e alla fine soffocherebbero", dice Lukas Böcker. Inoltre, nel loro laboratorio di Zurigo non avrebbero modo di mantenere il gallo cedrone in un ambiente adatto alla specie: in acqua marina dolce a 10 gradi e in completa oscurità.
Un super-idrogel modellato su un modello naturale
L'obiettivo del progetto è quello di modificare il gel prodotto dal pesce gatto in modo che possa trattenere l'acqua in modo permanente, diventando così un "super-idrogel". Per riuscirci, però, i ricercatori devono prima scoprire il segreto dell'enorme capacità di assorbimento dell'acqua da parte della melma.
Grazie alle loro indagini preliminari, gli scienziati dell'ETH hanno trovato un modo per stabilizzare la secrezione ghiandolare in modo da poterla trasportare nel laboratorio di Zurigo per i loro studi. Tuttavia, non sanno quali fattori rendano possibile questa stabilizzazione. Se riuscissero a risolvere questo enigma, sarebbe possibile applicare un metodo di stabilizzazione simile a un prodotto mimetico biomimetico - un obiettivo a lungo termine del progetto. Tuttavia, una replica esatta della secrezione è piuttosto irrealistica: "Non possiamo ricreare il muco di questo pesce in laboratorio, il sistema naturale è troppo complesso per farlo", sottolinea il dottorando. Tuttavia, lo sviluppo di un gel basato sul principio del muco naturale è certamente possibile.
Gli idrogel sono già utilizzati in numerose applicazioni, dai pannolini di carta ai cerotti adesivi, fino ai sistemi di irrigazione per l'agricoltura. Gli idrogel sono anche ampiamente utilizzati nell'industria alimentare. Altri scienziati che hanno studiato il muco del pesce preistorico hanno espresso l'intenzione di utilizzare le fibre per la produzione di tessuti. I ricercatori dell'ETH non sono ancora in grado di valutare se il progetto, finanziato come progetto ad alto rischio con un Fare ricerca all'ETH, si tradurrà in un'applicazione pratica. Tuttavia, sono già riusciti a pubblicare la possibilità di stabilizzare la mucillagine a vita breve, che collassa sotto stress meccanico, e di ottenere un'ulteriore funzionalizzazione mescolandola ad altri idrogeli o reti di particelle.
Letteratura di riferimento
Böcker L, Rühs PA, Böni L, Fischer P, Kuster S. Fiber-Enforced Hydrogels: Hagfish Slime Stabilised with Biopolymers including κ-Carrageenan. ACS Biomaterials Science & Engineering, pubblicato online il 10 novembre 2015. DOI: pagina esterna10.1021/acsbiomaterials.5b00404
Böhni L, Rühs PA, Windhab EJ, Fischer P, Kuster S. Gelation of Soy Milk with Hagfish Exudate Creates a Flocculated and Fibrous Emulsion- and Particle Gel. PlosOne, pubblicato il 25 gennaio 2016, DOI: pagina esterna10.1371/journal.pone.0147022