Un material fără celule își construiește singur motoarele moleculare și se mișcă
Cercetătorii au creat un material capabil să fabrice proteinele responsabile de mișcarea celulară fără a avea nevoie de celule intacte. Prin încorporarea expresiei genice fără celule într-o foaie subțire de filamente proteice, echipa a reușit să determine materialul să se încrețească, să se ridice în forme asemănătoare unor bășici și să se fragmenteze în fascicule care curg unele pe lângă altele. Instrucțiunile care guvernează aceste transformări sunt încorporate în materialul însuși, în ADN.
Modificarea programului genetic a făcut ca filamentele să mențină o mișcare continuă, să se oprească după o explozie de activitate sau să accelereze și să încetinească în mod repetat. Studiul, publicat în Nature Materials, demonstrează un comportament mecanic descris de autori drept „programat genetic și executat autonom”. Odată asamblat, materialul își poate schimba activitatea fără intervenția cercetătorilor la fiecare etapă.
Cum își construiește materialul propriile motoare
În trecut, oamenii de știință au realizat materiale în mișcare din componente celulare. Într-un studiu din 2012, de exemplu, motoarele moleculare au împins filamentele proteice în curgeri haotice. Lucrarea actuală oferă unui astfel de material un sistem intern de producere și reglare a motoarelor, în loc să folosească o forță externă.
Echipa, din care fac parte Rochelle Silverman și Alexandra Tayar de la Institutul de Științe Weizmann din Israel, împreună cu colaboratori de la Universitatea din Minnesota, a pornit de la microtubuli, filamente proteice microscopice care ajută la formarea scheletului intern al celulelor. Cercetătorii au asamblat filamentele într-o foaie densă, într-o cavitate cu diametrul de aproximativ 3,3 milimetri, și au adăugat ADN și un amestec ce conține mașinăria celulară și ingredientele necesare pentru producerea proteinelor.
ADN-ul codifica kinezina, o proteină motoare care consumă combustibil chimic pentru a se deplasa de-a lungul microtubulilor. Pe măsură ce motoarele nou create se acumulau și se grupau, acestea conectau filamentele vecine și le făceau să alunece unele pe lângă altele. Forțele interne în creștere au determinat deformarea foii. Structurile ridicate s-au fracturat în cele din urmă, lăsând fascicule într-o mișcare vârtejită și neregulată.
Adăugarea unei cantități mai mari de ADN care codifică motorul a grăbit, în general, declanșarea mișcării. Într-un set de experimente, mișcarea a început după aproximativ patru ore la concentrația cea mai mică și după circa o oră la concentrația cea mai mare. Dincolo de o anumită concentrație, ADN-ul suplimentar a contribuit puțin la creșterea vitezei finale de curgere, modificând în principal momentul în care materialul devenea activ.
Adăugarea unei frâne și a unui ritm
Producerea motoarelor putea porni mișcarea, dar controlul a ceea ce urma necesita instrucțiuni suplimentare. Cercetătorii au adăugat ADN care codifică PRC1, o proteină ce leagă microtubulii între ei. La niveluri suficient de ridicate, aceste conexiuni rezistau eforturilor motoarelor de a face filamentele să alunece. În funcție de echilibrul instrucțiunilor, foaia se îndoia și se oprea sau curgea scurt înainte de a se opri.
Pentru a crea schimbări repetate, echipa a construit o buclă de feedback genetic. Producerea motoarelor declanșa producerea unei alte proteine care suprima fabricarea ulterioară de motoare. Mașinăria de degradare a proteinelor elimina ambele componente, permițând reluarea producției. Cu echilibrul potrivit, acest ciclu făcea curgerea să accelereze și să încetinească în mod repetat. O represiune mai puternică producea o singură explozie de activitate, urmată de oprire.
Direcția mișcării
ADN-ul nu a fost singurul mod de a modela rezultatul. Canalele înguste limitau deformările foii, iar crestele modelate le ghidau direcția și permiteau unor structuri ridicate să se extindă pe câțiva milimetri.
Durata de funcționare a materialului depindea și de resursele sale. Într-un experiment, producerea de proteine s-a stabilizat după aproximativ șase ore, pe măsură ce resursele se epuizau. Totuși, mișcarea a continuat peste 10 ore în experimentul cu kinezină, deoarece amestecul regenera în continuare combustibilul chimic folosit de motoarele existente.
În final, studiul deschide o cale către materiale care se automodelează, folosind circuite biochimice și design mecanic pentru a îndeplini o gamă variată de funcții. Cercetări viitoare cu circuite genice mai elaborate ar putea programa, potențial, secvențe mai bogate de comportament mecanic.
