Cellule Artificiali in grado di muoversi autonomamente con Segnali Chimici: Nuova frontiera della Biotecnologia

Un team di ricercatori dell’Istituto di Bioingegneria della Catalogna (IBEC) ha sviluppato la cellula artificiale più semplice mai creata, in grado di spostarsi in risposta a segnali chimici, imitando così il comportamento della chemiotassi osservato nelle cellule viventi. Questo studio, pubblicato sulla rivista Science Advances, segna un importante progresso nel campo della biologia sintetica, aprendo nuove possibilità per applicazioni in medicina, ambiente e biotecnologia.

Cellule artificiali che si muovono senza motori né segnali esterni

La ricerca, condotta dal team dell’IBEC a Barcellona, ha rivelato che è possibile realizzare cellule artificiali capaci di muoversi autonomamente grazie a semplici reazioni chimiche interne. La cellula artificiale creata non richiede sistemi complessi come motori biologici o segnali esterni, ma si basa esclusivamente su una membrana lipídica, un’enzima e un poro. Questo approccio minimalista replica i principi di movimento utilizzati da organismi viventi, come le batteri o i globuli bianchi, che si spostano alla ricerca di nutrienti o per rispondere a infezioni.

Come si muovono le cellule senza cervello né muscoli

Nei sistemi biologici, la chemiotassi è un meccanismo fondamentale per la sopravvivenza. Batteri e spermatozoi usano questo processo per navigare verso un obiettivo specifico, come il nutrimento o l’incontro con l’ovulo. In questo caso, le cellule artificiali replicate seguono un comportamento simile, ma senza l’ausilio di flagelli o altre strutture complesse.

Per realizzare questa innovazione, i ricercatori hanno inserito enzimi come la glucosio ossidasi e l’ureasi all’interno di piccole vescicole lipidiche chiamate liposomi. A queste vescicole è stato aggiunto un poro, una proteina che consente il passaggio di sostanze chimiche all’interno e all’esterno della cellula artificiale.

Il movimento delle vescicole artificiali

Il risultato di questa combinazione è un micro-robot che reagisce ai cambiamenti chimici nell’ambiente circostante. Quando il gradiente chimico cambia, si verifica uno squilibrio nelle concentrazioni di sostanze sulla superficie del liposoma, generando un flusso di fluido che spinge la vescicola a muoversi. Tutto questo avviene senza l’uso di energia esterna, motori, o componenti mobili, dimostrando la possibilità di realizzare sistemi biologici che funzionano in modo autonomo con risorse minime.

Un sistema semplice con potenziali applicazioni complesse

Un aspetto particolarmente interessante della ricerca è che il movimento delle vescicole dipende dal numero di pori presenti nella loro membrana. Durante gli esperimenti, condotti con oltre 10.000 vescicole all’interno di canali microfluídici, è stato osservato che quelle con più pori si dirigevano verso aree con concentrazioni più alte di substrato chimico, mostrando così un comportamento di chemiotassi attivo.

Questi esperimenti hanno permesso ai ricercatori di capire meglio i principi fondamentali della vita senza dover ricorrere a sistemi biologici completi e complessi. Riducendo la complessità, è stato possibile isolare i meccanismi evolutivi essenziali che regolano il movimento e l’interazione tra le cellule.

Potenziali applicazioni delle cellule artificiali

Sebbene questa ricerca si trovi ancora nella fase iniziale, le implicazioni di questo studio sono enormi. Le cellule artificiali potrebbero essere utilizzate in diversi ambiti, tra cui:

• Nanomedicina: per dirigere trattamenti direttamente verso tessuti malati, minimizzando il danno ai tessuti sani.
• Biorisanamento: come micro-cleaner programmati per individuare e neutralizzare contaminanti nell’ambiente.
• Agricoltura sostenibile: per rilasciare nutrienti o agenti protettivi in modo mirato e controllato.

Questi sviluppi potrebbero portare a innovazioni significative in medicina e tecnologie ambientali, e sono già stati inclusi in strategie nazionali di bioeconomia e sostenibilità in paesi come Germania, Francia e Spagna.

Un’innovazione con impatti globali sulla sostenibilità

Questa tecnologia potrebbe anche giocare un ruolo cruciale nella lotta contro la crisi climatica. Le potenzialità di questo approccio includono:

• Riduzione dell’uso di sostanze chimiche aggressive, sostituendole con micro-macchine biodegradabili e intelligenti.
• Sviluppo di materiali autoregolabili che reagiscono ai contaminanti o si riparano autonomamente in base alle condizioni ambientali.
• Efficienza nell’uso delle risorse, con sistemi che si attivano solo in presenza di stimoli specifici, evitando sprechi.
• Creazione di soluzioni energeticamente neutre, ispirate da processi biochimici simili a quelli delle vescicole.

In definitiva, questa ricerca non solo rappresenta un trionfo scientifico, ma offre anche lezioni fondamentali su come interagire con l’ambiente in modo equilibrato. La creazione di sistemi minimi ma funzionali potrebbe diventare una base per lo sviluppo di soluzioni pratiche per un’economia circolare, resiliente e davvero sostenibile.

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La scoperta della capacità di creare cellule artificiali che si muovono autonomamente apre un mondo di opportunità in diversi settori chiave, dalla medicina alla biotecnologia, e potrebbe essere alla base di future soluzioni ecologiche e sostenibili. Grazie a questa ricerca, si prospetta una nuova era in cui la biologia sintetica diventa un alleato nella cura della salute e nella protezione dell’ambiente.

• Fonte: The minimal chemotactic cell – https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx9364