Costruire i primi robot molecolari sintetici alimentati dalla chimica
Una strana caratteristica della materia è che si comporta in modo diverso a seconda delle dimensioni dell’oggetto interessato. Gli oggetti quotidiani del nostro mondo «a livello macro» non si muovono senza l’applicazione di una forza fisica; al tempo stesso, tutti gli oggetti di dimensioni molecolari e gli atomi che li compongono sono caratterizzati da un moto continuo di tipo casuale. Il progetto MolMacIP, che è stato finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), si è ispirato al crescente consenso tra i chimici sulla necessità di sviluppare nuove tecniche specifiche per la nanoscala, a ispirazione biologica, piuttosto che imitare macchine macroscopiche (che hanno portato al premio Nobel del 2016). Oltre a migliorare la nostra comprensione in merito al funzionamento della biologia, ciò aprirebbe le porte a nuovi macchinari e materiali molecolari simili alla vita che potrebbero comportare una serie di potenziali applicazioni. «Le nostre progettazioni sperimentali hanno dimostrato come realizzare macchine molecolari alimentate chimicamente, ispirando molti scienziati a ripensare il proprio approccio; non credo che torneremo a progettare macchine molecolari quali analoghi di macchine macroscopiche», afferma David Leigh(si apre in una nuova finestra), il coordinatore del progetto MolMacIP.
Imitare la biologia giocando con i «Lego molecolari»
Le macchine molecolari possono essere programmate per eseguire diversi compiti; alla luce di tutti i componenti molecolari già in moto, tuttavia, guidare questo movimento per costruire una macchina molecolare in grado di esercitare una forza, come ad esempio un muscolo, significa bloccare il moto in ogni direzione, tranne quella desiderata. «Manipolare questi elementi costitutivi molecolari e creare assemblaggi diversi è un po’ come giocare con i Lego molecolari», osserva Leigh, attivo come ricercatore presso l’Università di Manchester(si apre in una nuova finestra), l’ateneo che ha ospitato il progetto. MolMacIP si è occupato in particolare di progettare motori molecolari alimentati chimicamente che fossero in grado di trasportare carichi e di svolgere altri compiti. «La biologia utilizza macchine molecolari per ogni processo che avviene nelle cellule: è così che si genera la forza, che si costruiscono le molecole, che si immagazzina l’energia e che la si usa successivamente per svolgere i vari compiti», aggiunge Leigh. L’équipe ha dimostrato il mimetismo biologico realizzando i primi motori rotativi alimentati chimicamente(si apre in una nuova finestra), sulla base di principi potenzialmente applicabili anche alla costruzione di motori lineari. «Abbiamo impiegato gli stessi concetti ingegneristici delle proteine motorie; ciononostante, il nostro sistema artificiale è composto da soli 26 atomi mentre nelle proteine motorie ne sono presenti decine di migliaia, il che rende le nostre molecole motorie più semplici e di minori dimensioni», spiega Leigh. All’inizio di quest’anno, il team ha usato questi motori molecolari per generare forza e contrarre un gel(si apre in una nuova finestra), in modo analogo a quello utilizzato dalla biologia per generare forza mediante le proteine motorie nei muscoli. Ispirandosi alle catene di montaggio, un’altra progettazione ha infilato una molecola ciclica su un binario, come una perlina su un filo; man mano che la molecola si muove lungo il binario e raggiunge i diversi elementi costitutivi, li stacca e li aggiunge a una catena sempre più grande, in maniera simile a come la biologia costruisce le proteine nella cellula.
La macchina molecolare, una tecnologia rivoluzionaria per il futuro
Secondo quanto dimostrato dalla storia dell’innovazione, la miniaturizzazione di solito porta al progresso tecnologico: dai motori a vapore alle batterie, dai computer grandi come una stanza ai minuscoli chip ad alta efficienza energetica. Alla luce delle potenziali applicazioni nei campi dell’energia, dei trasporti e della sicurezza, le macchine molecolari potrebbero contribuire alla competitività economica europea, oltre a rispondere alle esigenze di varie problematiche sociali, quali la salute pubblica e la sostenibilità. «Anche se essere troppo specifici sulle applicazioni è come chiedere agli inventori di ruote dell’età della pietra di prevedere le automobili, le macchine molecolari probabilmente accelereranno e miglioreranno la scoperta di farmaci riducendo al contempo la domanda di materiali, i requisiti energetici e i costi associati al ciclo di vita», osserva Leigh. Dopo aver creato i primi esempi sintetici di macchinari molecolari azionati dalla chimica, il team di MolMacIP mira ora a realizzare sistemi più veloci, efficienti e potenti per svolgere compiti utili, come sensori e materiali alimentati chimicamente.
