Un team di ricerca capitanato dagli scienziati della Technische Universität di Monaco (TUM) e che coinvolge anche la SISSA (la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste), ha messo a punto un modello di cellula artificiale, in grado di muoversi e cambiare di forma autonomamente.
Le cellule sono oggetti complessi con un sistema metabolico sofisticato. I loro antenati evolutivi, le cellule primordiali, erano composte semplicemente da membrane e qualche molecola. Erano sistemi tanto minimalisti quanto perfettamente funzionanti.
Così, “ritornare alle origini della cellula” è diventato il motto del gruppo di ricerca internazionale guidato da Andreas Bausch. Il sogno è quello di creare un modello semplificato di cellula con una funzione specifica usando pochi ingredienti basilari. In tal senso stanno seguendo il principio della sintesi biologica in cui singoli blocchi cellulari sono assemblati per creare sistemi biologici artificiali con nuove caratteristiche. La visione dei biofisici era di creare un modello simile alla cellula con funzioni biomeccaniche in grado di muoversi e cambiare la forma senza influenze esterne. Gli scienziati hanno spiegato i risultati nella loro ultima pubblicazione su Science.
Il modello biofisico comprende la membrana, due diversi tipi di biomolecole e una sorta di “carburante”. L’involucro, cioè la vescicola, è fatto con un doppio strato di membrana lipidica, analogamente alle membrane delle cellule naturali. Gli scienziati hanno riempito le vescicole con microtubuli, componenti a forma di tubo del citoscheletro, e da molecole di chinesina.
Nelle cellule, le molecole di chinesina normalmente funzionano come motori molecolari che trasportano i blocchi di cellule lungo i microtubuli. Nell’esperimento, questi motori spingono costantemente i microtubuli uno accanto all’altro. Per questo, la chinesina necessita dell’energia trasportata dall’ATP, disponibile anche nel setup sperimentale.
Da un punto di vista fisico, i microtubuli formano un cristallo liquido bidimensionale sotto la membrana, che è in uno stato di permanente movimento.
Un aspetto cruciale nella struttura della cellula artificiale è la presenza di “difetti topologici” nel cristallo liquido che forma l’involucro, un aspetto che le permette di deformarsi in modo autonomo. È proprio per spiegare l’esistenza di questi difetti che i matematici ricorrono al teorema di Poincaré-Hopf. “Quando ci pettiniamo la mattina” spiega Luca Giomi, matematico applicato della SISSA, “per quanto possiamo impegnarci, non riusciremo mai a eliminare la girella sulla nuca. È un esempio di difetto topologico, cioè una singolarità all’interno di una struttura ordinata che è impossibile da eliminare attraverso una deformazione continua“. Come nell’esempio dei capelli, anche i microtubuli che formano l’involucro della cellula artificiale presentano delle “girelle”. A causa delle forze esercitate dai microtubuli, tuttavia, questi difetti sono in continuo movimento. Sorprendentemente, questo movimento non avviene in modo causale, ma consiste in un’oscillazione regolare fra due particolari conformazioni. “Questa oscillazione funge da motore – continua Giomi – e fornisce alla cellula il suo ciclo vitale”.
“con il nostro modello di sintesi biomolecolare, abbiamo creato una nuova opzione per lo sviluppo di modelli minimali di cellula”, spiega Bausch. “È adatto idealmente ad aumentare la complessità in maniera modulare, per ricostruire processi cellulari come la migrazione o la divisione delle cellule in modo controllato. Che il sistema creato artificialmente può essere ampiamente descritto da un punto di vista fisico, ci fa sperare che nelle prossime fasi saremo anche in grado di scoprire i principi di base dietro le deformazioni cellulari molteplici”.
