Dimostrazione di piroelettricità indotta dal calore nei virus

La scoperta della piroelettricità indotta dal calore nei virus potrebbe aprire la strada a nuovi dispositivi bio-ispirati.

I virus sono spesso associati a malattie, ma molti virus sono benefici, ad esempio batteriofagi che mangiano nocivi, batteri resistenti agli antibiotici. Ora, i ricercatori di Berkeley hanno riferito che i virus ingegnerizzati possono anche generare elettricità quando esposti al calore, una scoperta che potrebbe aprire la strada a biosensori e strumenti diagnostici di prossima generazione.

Piroelettricità indotta dal calore nei virus: schema che mostra il potenziale elettrico generato dalla pellicola virale dopo il riscaldamento. Il calore denatura, o scioglie, il rivestimento proteico del fago ingegnerizzato, causando una differenza nel potenziale elettrico. Credito immagine: Seung-Wuk Lee / UC Berkeley

Come riportato sul giornale Materiale avanzatoi ricercatori hanno scoperto per la prima volta “la generazione di potenziale elettrico indotto dal calore su un virus”, un fenomeno noto come piroelettricità.

Questo lavoro potrebbe far luce su come i biomateriali – cellule, tessuti e proteine ​​– generano elettricità a livello molecolare e portare allo sviluppo di biomateriali con nuove applicazioni mediche, farmaceutiche, ambientali ed energetiche.

“Attraverso questo studio, abbiamo acquisito preziose informazioni sulla relazione tra strutture proteiche e proprietà elettriche”, ha affermato il ricercatore principale Seung-Wuk Leeprofessore di bioingegneria alla UC Berkeley e scienziato della facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

“Abbiamo scoperto che quando applichiamo calore alle particelle virali, queste subiscono cambiamenti strutturali che portano a cambiamenti nella polarizzazione spontanea e alla generazione di potenziale elettrico”.

Fotografia che mostra il potenziale elettrico generato dalla pellicola virale durante il riscaldamento. Immagine gentilmente concessa da Seung-Wuk Lee / UC Berkeley

L’interesse per la bioelettricità – potenziale elettrico generato all’interno delle cellule viventi – risale all’antico Egitto ed esplose nel XVIII secolo, quando Luigi Galvani scoprì che la stimolazione elettrica poteva indurre la contrazione muscolare nelle cosce di rana.

Sebbene la nostra comprensione scientifica di questo fenomeno sia notevolmente migliorata nel corso degli anni, permangono interrogativi dovuti alla complessità dei biomateriali e agli strumenti limitati disponibili per studiarli. Lee pensa che i virus potrebbero aiutarci a trovare le risposte.

“I virus possiedono alcune proprietà notevoli che li rendono un sistema modello ideale per studiare i collegamenti tra struttura e funzione nella generazione di bioelettricità”, ha affermato Lee. “Questi includono la capacità di auto-replicarsi rapidamente su vasta scala, evolversi e, a causa della loro forma e materiale identici, auto-assemblarsi come le bacchette in una scatola.”

Lee e il suo team hanno dimostrato per la prima volta il potenziale bioelettrico del virus M13 ingegnerizzato più di 10 anni fa. I ricercatori hanno riferito di proprietà piezoelettriche di questi virus e la loro capacità di generare elettricità in risposta alla pressione.

Attraverso l’ingegneria genetica delle strutture proteiche esterne del fago, i ricercatori hanno scoperto che potevano migliorarne le prestazioni piezoelettriche. E mentre i virus M13 non hanno la capacità diretta di percepire il calore, i ricercatori avevano osservato che subiscono cambiamenti strutturali in risposta agli stimoli termici. Queste caratteristiche li hanno portati a sospettare che i fagi potessero possedere proprietà piroelettriche.

In questo ultimo studio, Lee e il suo team hanno messo alla prova questa teoria. Hanno ingegnerizzato geneticamente una porzione del rivestimento proteico del fago M13 per creare strutture verticali, rivolte nella stessa direzione e su scala nanometrica.

Hanno quindi osservato e misurato la risposta elettrica del virus al calore. Secondo Lee, i loro risultati hanno mostrato che il calore denatura, o scioglie, il rivestimento proteico del fago ingegnerizzato, causando una differenza nel potenziale elettrico.

Successivamente, i ricercatori hanno studiato le risposte piroelettriche del fago M13 ad altre molecole. Peptidi geneticamente sintonizzati per rispondere a specifici composti organici volatili e non volatili sono stati attaccati al rivestimento proteico dei fagi piroelettrici ingegnerizzati.

Quando questi fagi venivano esposti ai diversi solventi, generavano risposte piroelettriche diverse a seconda delle specie chimiche e delle loro concentrazioni.

“I nostri risultati hanno dimostrato che, a seconda del recettore chimico, potremmo facilmente rilevare una sostanza chimica innocua o tossica, come lo xilene”, ha affermato Lee.

Lee e il suo team ritengono che questo approccio all’ingegneria dei fagi con proprietà piroelettriche su misura potrebbe aprire la porta ad altre applicazioni. Ciò include la costruzione di dispositivi portatili che utilizzano la piroelettricità per rilevare altri virus e rilevare nuovi ceppi.

“Prevediamo molte possibilità per questa tecnologia”, ha affermato Lee. “Potrebbe aiutare ad aprire la strada alla creazione di nuovi materiali bioelettrici da utilizzare nella bioelettronica e nella raccolta di energia e in nuovi dispositivi bio-ispirati”.

Fonte: UC Berkeley