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I peptidi sono i frammenti più piccoli delle proteine, composti da pochi moduli di amminoacidi che, come le proteine stesse, hanno sviluppato funzioni specialistiche, tra cui l’attività antimicrobica, ormonale e di segnalazione.
Il progetto BISON, finanziato dall’UE e sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, ha esaminato la composizione peptidica auto-organizzante più piccola possibile, in grado di mostrare proprietà fisiche tali da rivelarsi interessante per una gamma di applicazioni funzionali, tra cui l’elettronica biocompatibile.
«I nostri assemblaggi ben ordinati, stabili ad alte temperature, contribuiscono ad avvicinare l’era dell’elettronica organica. Si tratta di un campo agli albori e i nostri risultati stanno già contribuendo a dargli forma», afferma il coordinatore del progetto Ehud Gazit, dell’Università di Tel Aviv che ha ospitato il progetto.
Esplorare le caratteristiche dei peptidi
Il team di BISON, concentrandosi su assemblaggi di peptidi composti solo da due o tre amminoacidi, si è avvalso della cristallografia a raggi X per caratterizzare il processo di autoassemblaggio dei peptidi. È stata inoltre utilizzata una piattaforma di microfluidica al fine di dimostrare, per la prima volta, l’espansione e la contrazione delle nanostrutture peptidiche, fornendo informazioni sulle loro variazioni fisiche.
Il team ha impiegato anche microscopia elettronica, microscopia a forza atomica, spettrometria e spettroscopia, integrate da tecniche computazionali, per studiare in tempo reale l’autoassemblaggio degli elementi costitutivi peptidici.
Ciò ha condotto a una serie di scoperte, come la maggiore resa quantica (l’efficienza dell’emissione luminosa) già registrata per gli assemblaggi di peptidi. Inspirandosi a questo, il team ha sviluppato antenne microsferiche in grado di assorbire la luce del sole per la fotosintesi artificiale, dimostrando così il potenziale della nanotecnologia peptidica nella raccolta e nella conservazione dell’energia.
Sul versante medico, è stato scoperto un nuovo tripeptide che agisce come il collagene. «Si è trattato di un risultato controintuitivo, poiché tutti gli altri peptidi formano assemblaggi impilati laminari», spiega Gazit. «Accogliendo questa inattesa scoperta, abbiamo ingegnerizzato il peptide per realizzare assemblaggi rigidi con proprietà piezoelettriche elevate.»
Tale piezoelettricità, ovvero la conversione dell’energia meccanica in correnti elettriche, è assai promettente. Poiché che la maggior parte dei materiali piezoelettrici è a base di piombo e quindi tossica per l’organismo umano, ne risulta quindi precluso l’utilizzo per i dispositivi biomedici impiantabili. Gli assemblaggi di peptidi del progetto BISON potrebbero convertire l’energia meccanica, ricavata dal movimento del corpo, in energia elettrica, per alimentare in modo sicuro dispositivi medici, quali i pacemaker, le pompe per insulina e le valvole artificiali.
Inoltre, sono stati individuati assemblaggi rilevanti per gli idrogel conduttivi, da cui deriva una progettazione dipeptidica con la concentrazione critica più bassa mai registrata di gelificazione (ovvero la concentrazione minima a cui è possibile la formazione di gel da una sostanza disciolta): 3 500 volte più bassa rispetto alla gelatina, a 0,002 wt %, secondo il team di BISON. Questo risultato apre le porte ad applicazioni di ingegneria e rigenerazione dei tessuti.
Aver scoperto che gli assemblaggi di peptidi rimanevano stabili a temperature superiori ai 400 °C è stato fondamentale per tutte le applicazioni. «Si è sempre pensato che i materiali di ispirazione biologica fossero di per sé instabili ma i nostri assemblaggi si potevano dimostrare persino più stabili di quelli inorganici», aggiunge Gazit.
Inoltre, per le future applicazioni si è rivelata cruciale la capacità di creare una varietà di composizioni strutturali. A tale scopo, il team ha progettato un elemento costitutivo tripeptidico in grado di formare nanofili, nanofibre e nanosfere.
Verso elementi costitutivi biologici di dimensioni persino inferiori
La maggior parte dei prodotti sviluppati dall’industria optoelettronica impiega materiali metallici nocivi per il pianeta, in quanto la loro produzione ed estrazione provoca inquinamento e non si degradano dopo lo smaltimento. Il lavoro tuttora in corso del progetto BISON offre alternative ecocompatibili che contribuiscono a un’economica più verde.
Al fine di sviluppare ulteriormente le promettenti applicazioni biologiche, al team sono già stati assegnati finanziamenti dell’UE per due progetti di verifica concettuale di follow-up: PiezoGel per migliorare le colture cellulari in 3D, specialmente per la rigenerazione dei tessuti, e PepZoSkin, per esplorare la possibilità di creare una pelle elettronica.
«Il passo successivo è applicare le nostre informazioni alla nanotecnologia dei metaboliti, lavorando con molecole bio-organiche anche più piccole, quali gli amminoacidi, le vitamine e le basi azotate, abbinando la forza delle nanotecnologie dei peptidi e del DNA per sviluppare la tecnologia degli acidi peptidonucleici», osserva Gazit.
Il team ha collaborato con l’Università Johannes Kepler di Linz, in Austria, e l’Istituto israeliano di tecnologia Technion, per portare la tecnologia verso la commercializzazione.