Impalcature cellulari ricablate per realizzare ferrovie microscopiche

In un articolo pubblicato il 17 gennaio sul Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze, i ricercatori hanno dimostrato un metodo che permette loro di controllare con precisione la crescita delle reti di biopolimeri come quelle che fanno parte dello scheletro cellulare. Sono stati in grado di costruire queste reti su un microchip, formando un tipo di circuito che funziona con segnali chimici, anziché elettrici.

All’interno delle cellule, le proteine ​​tubulina formano bastoncini lunghi e incredibilmente sottili chiamati microtubuli. Le reti di microtubuli crescono come le radici degli alberi in sistemi ramificati che formano un elemento primario del citoscheletro che dà alle cellule la loro forma e consente loro di dividersi.

Oltre a contribuire a mantenere la forma della cellula, l’impalcatura microtubulare funziona anche come una ferrovia molecolare. Le proteine ​​motrici specializzate trasportano carichi molecolari lungo i filamenti dei microtubuli. Lievi cambiamenti nella composizione molecolare dei microtubuli agiscono come segnali per regolare i percorsi dei trasportatori chimici, inviando carichi utili molecolari alle loro destinazioni. A Princeton, le domande su queste reti intracellulari hanno portato a una collaborazione tra Sabine Petry, professore associato di biologia molecolare, e Howard Stone, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale specializzato in meccanica dei fluidi.

“I sistemi biologici a cui ci siamo ispirati erano gli assoni”, ha affermato Meisam Zaferani, uno dei ricercatori principali e Gilbert S. Omenn, MD. ’61 e Martha A. Darling *70 Fellow presso l’Istituto di Bioingegneria e Biologia Molecolare di Princeton. “Gli assoni sono lunghe sporgenze che escono da un neurone e consentono il trasporto molecolare diretto.”

Nel sistema nervoso, le reti di microtubuli funzionano sia come strutture che collegano le cellule nervose sia come mezzo per il sistema nervoso per trasmettere segnali chimici che producono sensazioni. Zaferani ha affermato che gli scienziati stanno ancora lavorando per comprendere gli elementi della crescita dei microtubuli e le proprietà chimiche. Ma ha detto che il gruppo di ricerca voleva sapere se potevano sfruttare le reti per applicazioni pratiche.

“Ingegneri e fisici hanno iniziato a studiare i microtubuli come componenti per costruire nuovi materiali e tecnologie”, ha affermato. “Ci sono molti misteri sulle loro proprietà fondamentali, ma ne sappiamo abbastanza per iniziare a pensare a come potremmo progettare questi sistemi.”

Con il co-ricercatore Ryungeun Song, Zaferani ha lavorato per creare un sistema per controllare la crescita dei microtubuli nei laboratori delle camere bianche del Princeton Materials Institute. Utilizzando apparecchiature specializzate nella micro/nanofabbricazione e nella microfluidica, i ricercatori hanno controllato con precisione la crescita dei rami dei microtubuli. Sono stati in grado di regolare l’angolo e la direzione della crescita e sono stati in grado di creare microstrutture in cui era regolata la direzione di crescita dei microtubuli. Zaferani ha affermato che l’Istituto dei Materiali offre un mix unico di attrezzature e competenze che sarebbe difficile trovare altrove.

I ricercatori intendono proseguire dirigendo il carico chimico lungo i rami dei microtubuli. L’obiettivo è costruire un sistema di trasporto chimico controllabile. In uno sforzo correlato, stanno anche esaminando l’uso delle reti di microtubuli come uno strumento come le micropinzette che esercitano una forza fisica su oggetti incredibilmente piccoli.

Il gruppo di ricerca di Petry collabora da tempo con Stone, il Donald R. Dixon del ’69 e Elizabeth W. Dixon Professore di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, all’intersezione tra biologia e dinamica dei fluidi. Nel 2021, hanno ricevuto una sovvenzione dall’Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund di Princeton. Assunsero Song, un ingegnere meccanico che si era concentrato sulla microfluidica nel suo lavoro di laurea; e Zaferani, un biofisico che aveva studiato i segnali che aiutano gli spermatozoi dei mammiferi a dirigersi verso un uovo.

Stone, che collabora spesso con colleghi di ingegneria e scienze naturali, ha affermato che la combinazione di competenze provenienti da diverse discipline spesso porta a risultati notevoli.

“Trovo molto interessante trovare problemi che coinvolgono la meccanica dei fluidi in altri campi”, ha affermato. “Spesso trovo un argomento che è poco compreso dagli scienziati dall’altra parte e scarsamente compreso da me, e insieme lavoriamo per capirlo.”