Una micromacchina ibrida a batteri converte la luce in movimento

Un team di ricercatori dell’Istituto di Nanotecnologia del CNR (Nanotec-Cnr) e del dipartimento di Fisica dell’Università Sapienza di Roma, nell’ambito di uno studio appartenente progetto Smart “Statistical Mechanics of Active Matter”, ha dimostrato che alcuni batteri, geneticamente modificati e in grado di produrre proteorodopsina,  possono essere utilizzati come minuscoli propulsori in micromacchine invisibili all’occhio umano, la cui velocità di rotazione può essere regolata con luce verde di intensità controllabile.

I presupposti

Facciamo un passo indietro. Molti batteri, come Escherichia coli, sono ottimi “nuotatori”, in grado di percorrere in un secondo più di dieci volte la loro lunghezza. Per muoversi, utilizzano il “motore flagellare”, ruotando sottili filamenti elicoidali, i flagelli, a più di cento giri al secondo. Il motore flagellare è una sorta di motore “elettrico” alimentato da un flusso di cariche che la cellula accumula costantemente nello spazio periplasmatico che ne circonda la membrana interna.

La seconda premessa importante è che nel 2000, tramite il sequenziamento genomico di batteri in campioni di plancton, è stata scoperta una nuova proteina, la proteorodopsina, la quale inserendosi nella membrana cellulare, converte l’energia della luce che colpisce la membrana per accumulare cariche elettriche all’interno della cellula, alimentando i flagelli.

Come sono state combinate e sfruttate queste conoscenze? I ricercatori hanno modificato geneticamente alcuni batteri appartenenti alla specie E. coli, rendendoli in grado di produrre autonomamente questa proteina per “rifornire” i propri flagelli e fungere, così, da propulsori per micromacchine non visibili all’occhio umano. Andiamo a vedere in che modo.

Lo studio

La micromacchina in questione è ibrida, cioè fatta di una parte biologica e una parte sintetica, quest’ultima stampata in 3D su scala nanometrica con un materiale plastico. La parte biologica, invece, è costituita da batteri E. coli modificati geneticamente, in grado di nuotare diritto e non a zig zag, come fanno in natura, e di muoversi grazie alla luce.

Per realizzare la parte statica del motore è stata utilizzata la polimerizzazione a due fotoni (2PP). Questa tecnica, chiamata litografia a due fotoni o bi-fotonica, è una sorta di stampa 3D su scala submicrometrica che consente, usando due fotoni emessi da un laser a femtosecondi (milionesimo di miliardesimo di secondo, ovvero 10−15 s) nella lunghezza d’onda dell’infrarosso, di far solidificare un materiale con grande precisione. I ricercatori hanno dimostrato che tali strutture possono essere fabbricate in grandi insiemi e che possono ruotare indipendentemente con una velocità angolare elevata e prescritta.

Il micromotore. La struttura ha tre parti componenti. L’unità rotante ha un raggio esterno di 7,6 mm e uno spessore di 3,7 mm. Il suo bordo esterno presenta 15 microcamere, ciascuna capace di ospitare un singolo corpo cellulare lasciando all’esterno tutto il flagello per la massima propulsione. Il numero di cavità che un singolo rotore è in grado di portare è limitato da un vincolo : ciascuna di esse deve essere ampia abbastanza per adattarsi a una cellula batterica.

Dato che collisioni casuali con i batteri nuotatori avrebbero potuto disturbare il funzionamento del rotore rendendolo più lento e meno stabile, per facilitare la cattura di batteri da parte del rotore, è stata costruita una struttura a rampa radiale che raccoglie i batteri nuotatori sulla superficie inferiore e dirige le loro traiettorie in alto, verso le microcamere del rotore. Tuttavia, con una semplice rampa solo una frazione di microbi sarebbe stata inviata lungo traiettorie che raggiungono le microcamere inclinate con l’orientamento corretto per entrare. Per superare questo problema gli studiosi hanno posto una serie di barriere sulla rampa.  In questo modo, i microrganismi in entrata si allineano e scorrono lungo la barriera lasciando la rampa su una traiettoria tale da intercettare più facilmente il bordo del rotore, con un angolo corrispondente all’orientamento delle microcamere.

Funzionamento. Come accennato, grazie al processo di stampa laser 3D sopra citato, si possono realizzare dei micromotori composti da anelli circolari, sulla cui superficie esterna sono state scavate delle microcavità (microcamere) in grado di intrappolare una singola cellula di E. coli (figura 1).

Figura 1: Progettazione di micromotori 3D. (a, b) Modello 3D della struttura del micromotore. I colori evidenziano componenti distinte: rampa (rossa), asse (blu) e rotore (verde). La linea bianca tratteggiata descrive schematicamente la traiettoria di una cellula guidata dalla struttura della rampa in una microcamera del rotore. (c,d) Immagini SEM dei micromotori 3D. (c) Insieme di quattro micromotori. (d) Vista ravvicinata delle microcamere. (Nature Communications)

Una volta posizionati, i batteri in questione (figura 2), appositamente modificati per produrre proteorodopsina (pompa protonica guidata dalla luce) “mettono in moto” il dispositivo spingendo il rotore. La velocità dei micromotori può essere controllata attraverso l‘intensità della luce di illuminazione. È possibile definire la velocità dei singoli micromotori regolando autonomamente i loro livelli di illuminazione con un modulatore spaziale di luce.

Figura 2: Escherichia coli. (Centers for Disease Control and Prevention)

Accoppiando un proiettore al microscopio e illuminando ogni singolo rotore con riflettori di luminosità variabile si riesce far ruotare più rotori insieme.

Tale sistema, rispetto ai precedenti tentativi basati su batteri non modificati e strutture piatte, combina un’alta velocità di rotazione a una elevata riduzione delle fluttuazioni. Secondo gli scienziati, è già possibile produrre centinaia di rotori controllati indipendentemente che utilizzano luce come fonte primaria di energia, i quali, un giorno, potrebbero essere alla base di componenti dinamici per microrobot in grado di selezionare e trasportare singole cellule all’interno di laboratori biomedici miniaturizzati.

Il lavoro, inoltre, ha anche un risvolto interessante dal punto di vista fisico e ingegneristico, dato che fino a questo momento non era stato possibile realizzare propulsioni su scale così piccole.

Per ulteriori curiosità si rimanda al video : https://youtu.be/6V5qoQyR_yA  (Batteri guidati dalla luce alimentano micromacchine ibride 3D).

 

 

                                                                                                                                                           Angela Chimienti

 

 

Fonti (contenuti e immagini):

  • Gaszton Vizsnyiczai, Giacomo Frangipane, Claudio Maggi, Filippo Saglimbeni, Silvio Bianchi & Roberto Di Leonardo, Light controlled 3D micromotors powered by bacteria, Nature Communication| 8:15974 | DOI: 10.1038/ncomms15974 |www.nature.com/naturecommunications
  • Comunicato Stampa 10 Luglio 2017 Università degli Studi di Roma “La Sapienza”
  • https://www.cdc.gov/ecoli/index.html
  • https://fineartamerica.com/products/e-coli-bacterium-pasieka-art-print.html Photo credit: Pasieka (immagine in evidenza)

 

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