NANO- BOT MELMA, CREATO BIOMATERIALE ARTIFICIALE


2 min letti

Science Robotics, 10 Aprile

Approfondimenti su XTimes

In uno studio pubblicato questo mese su “Science Robotics”, un team internazionale ha sviluppato un sistema che dota biomateriali grezzi di un metabolismo artificiale. Soprannominato assemblaggio DASH-DNA, tale procedimento di sintesi di materiali gerarchizzati genera automaticamente nanobot “melma”, che si muovono e navigano dinamicamente nel loro ambiente. Il processo di costruzione dei nanobot DNA inizia con un chip microfluidico. Come gli umani, il materiale artificiale utilizza l’energia esterna per cambiare costantemente i corpi dei nanobot programmati, riciclando le loro parti basate sul DNA artificiale sia come rifiuti, sia come materia prima per un ulteriore utilizzo. Alcuni “creano” doppie eliche molecolari, altri “scrivono” lettere di DNA artificiale all’interno dei micro-chip. Anche se queste forme di vita artificiale non sono consapevoli, si sono mostrate piuttosto “competitive”. Quando si scontrarono due robot DASH si lanciano automaticamente in avanti, strisciando con la tipica forma di muffa melmosa in scala facilmente visibile al microscopio e, per alcune interazioni, ad occhio nudo. “Fondamentalmente, potremmo essere in grado di cambiare il modo in cui utilizziamo i materiali dando loro caratteristiche realistiche. In genere i materiali e gli oggetti sono statici ... un giorno potremmo essere in grado di creare oggetti e mantenere autonomamente le loro forme e funzioni”, ha spiegato Shogo Hamada, un ricercatore coautore dello studio insieme a Dan Luo, professore di Ingegneria Biologica e Ambientale presso la Cornell University



Questo è un grande studio che combina la versatilità della nanotecnologia del DNA con la dinamica dei materiali viventi”, afferma Job Boekhoven dell’Università tecnica di Monaco. Lo studio si basa sulla creazione di blocchi molecolari in grado di assemblarsi e autodistruggersi. Sebbene l'ispirazione provenga dal metabolismo biologico, gli scienziati sperano di ridurre la dipendenza dalla Natura. “Al suo interno, il metabolismo è solo un insieme di reazioni chimiche ben coordinate, programmate da eoni di evoluzione. Quindi, perché costruire materiali artificiali realistici ancora legati dall’evoluzione quando possiamo usare la chimica per progettare forme completamente nuove di vita artificiale?”, dicono i ricercatori. Già nel 2015, un team guidato da Boekhoven aveva descritto un modo per simulare come le nostre cellule costruiscono i loro “fasci strutturali” interni, chiamato il citoscheletro. La chiave qui, a differenza di molti processi in natura, non è l’equilibrio. Allora i ricercatori avevano progettato un sistema instabile, che creava automaticamente e sosteneva gli insiemi di blocchi molecolari solo se veniva fornita loro una fonte esterna di energia chimica. Dispositivi molecolari che “morivano" senza “cibo”. Infatti, in base alle leggi della termodinamica, l’energia alla fine si dissipava e le forme iniziavano automaticamente a guastarsi, completando un “ciclo di vita artificiale “. Il nuovo studio ha fatto un passo avanti: piuttosto che imitare semplicemente la sintesi, ha completato il cerchio accoppiando il processo di costruzione all’assemblaggio dissipativo. Decenni di esperimenti hanno permesso ai ricercatori di ottimizzare l’assemblaggio del DNA artificiale al di fuori del corpo. Con l’aiuto di catalizzatori, che “legano” le singole molecole insieme, il team ha scoperto che potrebbero facilmente alterare la forma dei robot DNA autoassemblanti, che formano forme simili a fibre, cambiando la struttura delle camere microfluidiche. Attraverso le simulazioni digitali e le osservazioni al microscopio, il team è stato in grado di identificare alcune regole critiche che hanno aiutato a prevedere come le loro molecole si autoassemblino, mentre navigano in un labirinto di “pilastri” e canali scolpiti sui microchip.

Questo “ha permesso una strategia generale di progettazione per i modelli DASH”, spiegano. In particolare, il movimento vorticoso dei fluidi che scorrono e si scontrano nelle creste dei chipsembra aiutare le molecole di DNA a intrecciarsi nelle reti. Queste intuizioni hanno portato il teama sviluppare ulteriormente la parte “distruttiva” del metabolismo. Simile al collegamento di molecole in catene di DNA, la loro distruzione si basa sugli enzimi. Una volta che il team ha pompato entrambi gli enzimi di “generazione” e “degenerazione” nei microchip, insieme ai mattoni grezzi, il processo è diventato completamente autonomo. “Questi comportamenti includono la locomozione, l’auto-rigenerazione e la regolazione spaziotemporale”, ha detto Boekhoven. Nei loro prossimi esperimenti, i ricercatori si ispireranno alle lumache per programmare movimenti ondulatori nei loro robot-DNA. Simili nano-robot potrebbero facilmente amplificare una data sequenza di DNA o RNA, rendendoli efficienti nano-diagnosi per prevedere gli schemi reali di infezioni virali e di altra natura.