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Queste nanomacchine tessono il DNA con una staffetta molecolare
Un gruppo internazionale guidato dall'Institute of Science Tokyo, con il contributo dell'Università di Kyoto, ha realizzato un sistema in cui due classi di nanomacchine biomolecolari lavorano in sequenza per fabbricare reti gerarchiche. Lo studio, pubblicato sulla rivista Small, mostra che un enzima produce lunghi filamenti di DNA e un motore molecolare li mette fisicamente in contatto, li tende e li organizza. Il risultato offre un modello sperimentale per costruire materiali dinamici dal basso, usando insieme sintesi chimica e movimento alimentato da energia.
Nelle cellule, enzimi e motori molecolari cooperano continuamente per sintetizzare, trasportare e ordinare molecole. Riprodurre questa coordinazione in laboratorio è difficile: i singoli componenti della nanotecnologia biomolecolare sono già molto sviluppati, ma collegare più funzioni in una sequenza controllata resta una sfida. Il gruppo ha quindi progettato un processo in due fasi capace di generare materiali fuori equilibrio, cioè strutture mantenute da un consumo continuo di energia anziché dal semplice raggiungimento di uno stato stabile.
Nella prima fase, la polimerasi copia stampi fissati su microtubuli, le sottili strutture proteiche che nelle cellule fanno parte del citoscheletro. La tecnica impiegata, chiamata amplificazione a cerchio rotante, consente di far crescere lunghi filamenti direttamente sui microtubuli. Questi diventano così navette che portano con sé il materiale appena sintetizzato, pronto per essere consegnato alla fase meccanica del processo.
La seconda fase è affidata alla chinesina, una proteina motrice fissata al substrato sperimentale. Consumando ATP, la molecola usata dalle cellule come fonte immediata di energia, i motori fanno scorrere i microtubuli sulla superficie. Quando due navette si urtano, i filamenti che trasportano entrano in contatto e si collegano; il movimento successivo li tira e li distende, facendo crescere architetture fibrose interconnesse.
I test di controllo indicano che la componente motoria non è accessoria. In assenza della chinesina, oppure quando l'ATP viene esaurito, le reti non si formano. I ricercatori hanno inoltre osservato che una maggiore densità di microtubuli e un tempo più lungo dedicato alla sintesi producono strutture con più connessioni e maggiore complessità. Sono quindi sia la quantità di supporti mobili sia la disponibilità del materiale a modulare l'esito finale.
Le simulazioni hanno sostenuto qualitativamente l'interpretazione degli esperimenti. Senza forza attiva, le catene usate nel modello tendevano a ripiegarsi in configurazioni compatte; introducendo una spinta paragonabile a quella dei motori, invece, più catene si dispiegavano e si univano. Il moto molecolare attivo appare dunque essenziale per superare i limiti della sola diffusione. Lo studio, tuttavia, non ha ancora quantificato quanta energia chimica venga consumata e dissipata durante l'assemblaggio.
Il sistema non dimostra ancora materiali capaci di autoripararsi, autosostenersi o evolvere: queste sono possibilità indicate dagli autori per sviluppi futuri, non proprietà già ottenute. Il risultato fornisce però una piattaforma per studiare come più processi biomolecolari possano cooperare nella costruzione di strutture di ordine superiore. Le applicazioni ipotizzate comprendono materiali programmabili, calcolo molecolare e robotica molecolare, ma serviranno nuovi esperimenti per trasformare la prova di principio in tecnologie utilizzabili.
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