Innovazione, 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 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

I presupposti

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. In poche parole una sorta di motore “elettrico” alimentato da un flusso di cariche che la cellula accumula costantemente nello spazio periplasmatico che circonda la membrana interna.

Ma non è tutto. Alla base di questa nuova tecnologia c’è anche la proteorodopsina, una proteina scoperta nel 2000 tramite il sequenziamento genomico di batteri in campioni di plancton, che rifornisce la cellula di energia sfruttando la radiazione luminosa. Questa pompa protonica luce-dipendente e il sistema che mette in moto trasformano l’energia luminosa solare in energia chimica. La proteina fotoattiva si inserisce nella membrana cellulare: l’assorbimento della luce fa muovere i protoni attraverso la membrana stessa generando energia in forma di ATP (adenosina trifosfato).

Come sono state combinate e sfruttate queste conoscenze?

Nell’ambito dello studio, che fa parte del progetto Smart “Statistical Mechanics of Active Matter”, i ricercatori hanno modificato geneticamente alcuni batteri appartenenti alla specie E. coli, rendendoli in grado di produrre autonomamente proteorodospina. Così facendo, i microrganismi  sono in grado di “rifornire” di energia i propri flagelli che possono fungere da propulsori per micromacchine non visibili all’occhio umano.

Una micromacchina ibrida

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

Per realizzare la sezione statica del motore il gruppo di lavoro ha utilizzato 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.

Come è fatto 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, ognuna 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 avere l’ampiezza idonea per adattarsi a una cellula batterica.

Per facilitare la “cattura” dei microrganismi da parte del rotore, il dottor Vizsnyiczai e colleghi hanno costruito 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. Gli studiosi allora hanno posto una serie di barriere sulla rampa. In tal modo, i batteri in entrata si allineano e scorrono lungo la barriera lasciando la rampa su una traiettoria che intercetta più facilmente il bordo del rotore, con un angolo corrispondente all’orientamento delle microcamere.

Funzionamento

Come accennato, grazie al processo di stampa laser 3D di cui sopra, 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, 2017).

Una volta posizionati nel dispositivo, i batteri “mettono in moto” il rotore per mezzo della proteorodopsina. La velocità dei micromotori può essere controllata attraverso luce verde di intensità variabile, definita regolando autonomamente i livelli di illuminazione con un modulatore spaziale di luce.
Accoppiando un proiettore al microscopio e illuminando ogni singolo rotore con riflettori di luminosità modificabile si riesce a far ruotare più rotori insieme.

Una novità sotto diversi punti di vista

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 la luce come fonte primaria di energia. Questi, 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, realizzando propulsioni su scale così piccole, denota anche un risvolto interessante dal punto di vista fisico e ingegneristico.

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

                                                                                                                                             Angela Chimienti

Fonti (contenuti e immagini):

  • Elaborato da : Gaszton Vizsnyiczai, Giacomo Frangipane, Claudio Maggi, Filippo Saglimbeni, Silvio Bianchi & Roberto Di Leonardo, Light controlled 3D micromotors powered by bacteria, Nature Communications| 8:15974 | 2017 DOI: 10.1038/ncomms15974 |Creative Commons Attribution 4.0 International License.
  • https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/7580/una-micromacchina-ibrida-a-batteri-converte-la-luce-in-movimento
  • Foto di Pexels da Pixabay (immagine in evidenza)

 

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