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Il processo microbico sintetico produce fibre muscolari più forti del Kevlar

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Indossereste abiti o, diciamo, lacci delle scarpe o una cintura fatti di fibre muscolari? E se queste fibre potessero sopportare più energia prima di rompersi rispetto al cotone, alla seta, al nylon o persino al Kevlar, e fossero prodotte senza danneggiare alcun animale?

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I ricercatori della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis hanno ora sviluppato una tecnologia di chimica sintetica che potrebbe rendere questo fattibile. Il metodo permette loro di polimerizzare le proteine all'interno di microbi ingegnerizzati. Usando la tecnologia, il team ha ingegnerizzato la produzione microbica della proteina muscolare ad alto peso molecolare, la titina, che è stata poi filata in fibre. I test hanno mostrato che le fibre hanno superato molti polimeri sintetici e naturali.

"La bellezza del sistema è che è davvero una piattaforma che può essere applicata ovunque", ha detto Cameron Sargent, uno studente di dottorato nella divisione di scienze biologiche e biomediche. "Possiamo prendere proteine da diversi contesti naturali, poi metterle in questa piattaforma per la polimerizzazione e creare proteine più grandi e più lunghe per varie applicazioni materiali con una maggiore sostenibilità" Sargent, e Christopher Bowen, PhD, che era del dipartimento di ingegneria energetica, ambientale e chimica, e ora è uno scienziato senior di Pfizer, sono i primi autori del documento del team in Nature Communications, che si intitola "Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties", in cui concludono: "Queste fibre hanno potenziali applicazioni in settori dalla biomedicina ai tessuti, e l'approccio sviluppato, insieme alle intuizioni struttura-funzione, promette di accelerare ulteriori innovazioni nella produzione microbica di materiali ad alte prestazioni"

La biologia è una grande fonte di ispirazione per la progettazione dei materiali, poiché la natura può produrre molti materiali biodegradabili ad alte prestazioni in modo efficiente, da risorse rinnovabili e utilizzando solo processi a bassa energia, hanno notato gli autori. Le sete eccezionalmente resistenti degli insetti e il bisso adesivo subacqueo prodotto dalle cozze sono solo un paio di esempi. E in molti casi, hanno sottolineato i ricercatori, "... questi materiali naturali possono superare le migliori alternative disponibili a base di petrolio"

Non è sempre possibile raccogliere tali materiali dalle loro fonti native, e gli scienziati non possono sempre generare metodi sintetici che imitano i processi biosintetici naturali su scala. "... strategie di produzione microbica ingegnerizzata sono necessarie per facilitare l'uso pratico e lo sviluppo di questi materiali rinnovabili ad alte prestazioni", ha continuato il team.

La proteina muscolare sintetica prodotta nel laboratorio di Fuzhong Zhang, PhD, professore del dipartimento di ingegneria energetica, ambientale e chimica, ha ora prodotto la proteina muscolare sintetica, la titina, che è uno dei tre principali componenti proteici del tessuto muscolare. Critico per le proprietà meccaniche della titina è la sua grande dimensione molecolare. "È la più grande proteina conosciuta in natura", ha detto Sargent. Le fibre muscolari sono state oggetto di interesse per molto tempo, ha detto Zhang. I ricercatori hanno cercato di progettare materiali con proprietà simili ai muscoli per varie applicazioni, come nella robotica morbida. "Ci siamo chiesti: 'Perché non facciamo direttamente muscoli sintetici?'" ha detto. "Ma non li raccoglieremo dagli animali, useremo dei microbi per farlo"

I microbi ingegnerizzati possono essere utilizzati per la produzione scalabile di alcuni composti di piccole molecole, ma la produzione microbica diretta di polimeri con alte prestazioni meccaniche è limitata, poiché molti materiali naturali ad alte prestazioni sono basati su proteine ad altissimo peso molecolare (UHMW) con sequenze di aminoacidi altamente ripetitive. Queste proteine ripetitive UHMW sono, hanno notato gli scienziati, "estremamente difficili da produrre nei microbi a causa dell'instabilità genetica, della bassa efficienza di traduzione e del carico metabolico"

Per aggirare alcuni dei problemi che tipicamente impediscono ai batteri di produrre grandi proteine, il team di ricerca ha ingegnerizzato i batteri per mettere insieme segmenti più piccoli della proteina titina in polimeri UHMW di circa due megadalton di dimensioni, che è circa 50 volte la dimensione di una proteina batterica media. Hanno poi usato un processo di filatura a umido per convertire le proteine in fibre di circa dieci micron di diametro, o un decimo dello spessore dei capelli umani.

Lavorando con i collaboratori Young Shin Jun, PhD, professore nel dipartimento di ingegneria energetica, ambientale e chimica, e Sinan Keten, PhD, professore nel dipartimento di ingegneria meccanica della Northwestern University, il gruppo ha poi analizzato la struttura di queste fibre per identificare i meccanismi molecolari che permettono la loro combinazione unica di eccezionale tenacità, forza e capacità di smorzamento, o la capacità di dissipare l'energia meccanica come calore. Le analisi strutturali hanno suggerito che queste fibre di titina UHMW contengono coppie assialmente allineate e affiancate di domini Ig-like. "Le analisi strutturali e la modellazione molecolare suggeriscono che queste proprietà derivano da una cristallizzazione unica tra le catene di domini piegati simili alle immunoglobuline, che resiste allo slittamento tra le catene mentre permette lo spiegamento intra-catena", hanno scritto i ricercatori.

Dicono che, a loro conoscenza, il risultato rappresenta il primo esempio di un materiale ingegnerizzato su macroscala prodotto dalla titina. "Sfruttando il potere biosintetico dei microbi, questo lavoro ha prodotto un nuovo materiale ad alte prestazioni che recupera non solo le proprietà meccaniche più desiderabili delle fibre muscolari naturali (cioè, alta capacità di smorzamento e rapido recupero meccanico) ma anche alta resistenza e tenacità, superiore anche a quella di molte fibre artificiali e naturali ad alte prestazioni", hanno scritto.

" ... i risultati della modellazione suggeriscono che le eccellenti proprietà meccaniche delle fibre di titina UHMW prodotte microbicamente possono avere origine da un unico accoppiamento inter-fibrilla di domini Ig-like piegati. Tale reticolazione inter-catena e non covalente attraverso domini ripiegati ed estensibili è stata raramente esplorata sia nei materiali polimerici organici che in altre fibre prodotte microbicamente"

A parte il suo uso potenziale in abiti eleganti o armature protettive, Sargent ha sottolineato che il materiale potrebbe avere anche applicazioni biomediche. Poiché è quasi identico alle proteine che si trovano nel tessuto muscolare, questo materiale sintetico è presumibilmente biocompatibile e potrebbe quindi essere un ottimo materiale per suture, ingegneria dei tessuti, e così via. "La combinazione altamente desiderabile di proprietà meccaniche, il processo di produzione sostenibile e la biodegradabilità della fibra la rendono un candidato eccellente per applicazioni ecologiche in una serie di campi dalla biomedicina ai tessuti commerciali (ad esempio, materiali anti-ballistici, reti, suture e ingegneria dei tessuti)", ha dichiarato il team.

"La sua produzione può essere economica e scalabile", ha aggiunto Zhang. "Può permettere molte applicazioni a cui la gente aveva precedentemente pensato, ma con fibre muscolari naturali" Il team di ricerca di Zhang non intende fermarsi alla fibra muscolare sintetica. Il futuro avrà probabilmente in serbo altri materiali unici abilitati dalla loro strategia di sintesi microbica. Bowen, Cameron e Zhang hanno presentato una domanda di brevetto basata sulla ricerca.

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