Proprio come i lavoratori di una fabbrica, gli enzimi sono in grado di creare un prodotto finale in modo più efficiente se sono uniti insieme in un unico luogo e riescono a passare il materiale grezzo da enzima a enzima, assemblando una specie di catena di montaggio. Gli scienziati del Cornell’s Baker Institute per la salute degli animali hanno creato la prima squadra per ricreare un percorso biologico in 10 step con tutti gli enzimi uniti alle nanoparticelle.

Sono stati ispirati a studiare come le nanoparticelle potrebbero avere funzioni biologiche attraverso gli enzimi che guidano le code degli spermatozoi, che trasformano lo zucchero in lattato ed energia così in fretta che lo sperma può andare alla velocità pari a 5 volte la lunghezza del suo corpo al secondo.

“Gli spermatozoi hanno un sistema molto efficiente di produzione di energia”, ha detto l’autore principale dello studio, Chinatsu Mukai, un socio di ricerca post-dottorato. Nel laboratorio del Baker Institute Alex Travis, professore associato di biologia riproduttiva, Mukai e altri ricercatori avevano studiato il metabolismo e la funzione degli spermatozoi.

Travis ha avuto l’idea di imitare il modo in cui gli enzimi della coda degli spermatozoi sono attaccati ad un supporto solido, nel tentativo di ottenere lo stesso tipo di efficienza su piccoli dispositivi artificiali.

Lo studio è stato sostenuto da un pioniere del Grant dal National Institutes of Health ed è stato pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie del 30 novembre scorso. Nella maggior parte delle cellule, la maggior parte degli enzimi che svolgono il processo di trasformazione dello zucchero in energia, chiamato glicolisi, vanno in giro raccogliendo le molecole di cui hanno bisogno man mano che le incontrano. Ma nello sperma, gli enzimi che svolgono la glicolisi hanno regioni speciali che permettono agli enzimi di attaccarsi a un’impalcatura di proteina solida che si trova appena sotto la membrana che copre la cellula e si trova sulla maggior parte della lunghezza della coda.

“Lo zucchero entra attraverso la membrana, colpisce gli enzimi immediatamente al di sotto, e poi viene elaborato e trasmesso su tutta la linea, producendo energia in modo high-throughput”, ha detto Travis.

(Per high-throughput si intendono tutte quelle analisi scientifiche in grado di effettuare dei test su un numero molto grande di dati in un tempo ristretto grazie a macchinari e strumentazioni automatizzate N.d.R.)

Il sistema che Mukai, Travis e l’intero team hanno sviluppato funziona più o meno allo stesso modo: la molecola di zucchero viene elaborata dall’inizio alla fine da parte degli enzimi collegati alle nanoparticelle. Rispetto agli enzimi che fluttuano liberi nella soluzione, il sistema enzimatico legato dal glucosio al prodotto finale, il lattato, ha un’elaborazione più efficiente, lasciando minori concentrazioni di prodotti intermedi rispetto al sistema enzimatico fluttuante. Ottenere un percorso in 10 step per far funzionare tutti i componenti legati tra loro produce un aumento esponenziale rispetto agli studi precedenti, che ha registrato un massimo di due o tre passi.

Se il lavoro può essere migliorato per essere un produttore maggiore di energia, ci potrebbe essere un certo numero di applicazioni pratiche, spiega Travis. Negli spermatozoi l’energia è utilizzata per il nuoto e la segnalazione che permette di fecondare un uovo ma, in nanobiotecnologia, l’energia potrebbe essere utilizzata per dispositivi di alta qualità che svolgono una grande varietà di lavori.

“Immaginate i dispositivi delle dimensioni di cellule del sangue, ciascuno con un farmaco chemioterapico. Se dotato di questo tipo di motore, i dispositivi potrebbero trarre la loro energia dallo zucchero nel sangue. Utilizzando delle pompe molecolari alimentate da quell’energia, i dispositivi potrebbero espellere delle quantità di farmaco in quantità definite e in particolare dove è necessario, ad esempio dove è situato un tumore, spiega Travis.

La sua squadra ha già applicato il concetto di enzimi legati a un dispositivo per rilevare segni di ictus o trauma cranico in alcuni campioni di sangue, una tecnologia che lui e il suo laboratorio hanno in programma di commercializzare.

Questo evento potrebbe anche rappresentare un passo avanti verso la realizzazione del potenziale delle cellule artificiali, ha detto Mukai.

“Non si può fare una cellula artificiale senza vie metaboliche, quindi questo è un progresso concreto in questa direzione”