Un nano dispositivo in grado di mimare le proprietà del muscolo. L’ha realizzato il team di ricercatori del PhysioLab del Dipartimento di Biologia, coordinato da Vincenzo Lombardi, usando proteine motrici per sintetizzare una nano macchina in grado di produrre forza e accorciamento, come spiega l’articolo intitolato “A myosin II nanomachine mimicking the striated muscle”, pubblicato su Nature Communications.
Il dispositivo creato a Firenze è realizzato con proteine motrici purificate da muscolo di coniglio ed è capace di mimare le proprietà del muscolo in vivo quando è alimentato da concentrazioni fisiologiche di ATP, la molecola di adenosintrifosfato che fornisce l’energia al movimento muscolare. L’apparato – realizzato da Pasquale Bianco, ricercatore di Fisiologia del Dipartimento di Biologia – usa la tecnologia laser per misurare la forza prodotta da una schiera di motori molecolari di miosina quando interagiscono con un filamento di actina.
“In presenza di concentrazioni fisiologiche di ATP – spiega Bianco-, il dispositivo sviluppa forza e accorciamento a una velocità che varia in relazione al carico imposto, dimostrando che la relazione tra potenza e carico, caratteristica dei motori di miosina che lavorano in parallelo nell’unità strutturale tridimensionale del muscolo in vivo, può essere riprodotta da un sistema motore unidimensionale costituito da almeno 16 motori molecolari ancorati allo stesso supporto che funziona da base meccanica. Il dispositivo – prosegue il ricercatore – costituisce uno strumento nuovo e potente per ricerche su fisiologia, patologia e farmacologia delle proteine contrattili, senza la complicazione delle complesse interazioni con le altre proteine muscolari.”
“Lo studio delle patologie muscolari che affliggono l’uomo, e in particolare quello delle cardiomiopatie, ha fatto passi decisivi con l’introduzione dei metodi di ingegneria genetica per ottenere proteine motrici ricombinanti sulle quali si può determinare direttamente il difetto funzionale e provare l’efficacia come strumenti terapeutici di nuove molecole – conclude Vincenzo Lombardi, professore emerito di Fisiologia -. In questo senso l’apparato rappresenta un passo avanti fondamentale, perché fornisce lo strumento che permette di determinare come una particolare mutazione nelle proteine motrici influenza l’uscita di potenza in relazione al carico e come un particolare farmaco può recuperare la funzione. Ciò è cruciale per la miosina cardiaca, in quanto essa produce potenza in condizioni in cui il carico è determinato dalla pressione arteriosa.”
La ricerca – che ha coinvolto numerosi dottorandi e post doc fiorentini tra i quali Irene Pertici, che ha discusso il metodo ed i risultati nella sua tesi di dottorato – è stata condotta con il supporto tecnico di Dan Cojoc (Istituto Officina dei materiali – CNR, Trieste) per la preparazione delle superfici su cui sono disposti i motori molecolari e di Miklos Kellermayer (Semmelweis University, Budapest, Ungheria) per i test sulla disposizione dei motori con immagini al microscopio a forza atomica. Il progetto ha usufruito di un finanziamento iniziale dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova e si è potuto concludere grazie al sostegno dell’Ente Cassa di Risparmio di Firenze.
A sinistra le istantanee corrispondenti alle fasi della prestazione meccanica della nanomacchina identificate dalla traccia nera a destra. Un filamento di actina (rosso) attaccato una microbiglia (marrone) intrappolata nel fuoco dei due raggi laser (rosa) è portata ad interagire con una schiera di miosine (blu) disposte su un supporto (grigio) la cui posizione è controllata da un nanoposizionatore. A destra le registrazioni della forza e dello scorrimento reciproco tra l’insieme di motori e il filamento di actina. All’inizio si ha sviluppo di forza che simula la contrazione muscolare in condizioni isometriche (1→2). A questo punto la forza viene ridotta a ½ della massima forza isometrica (freccia), simulando la contrazione isotonica (2→3). In questa condizione per azione dei motori miosinici si ha lo scorrimento relativo tra il filamento di actina e l’insieme dei motori con una velocità costante (3→4), funzione del carico imposto secondo le caratteristiche della relazione tra velocità di accorciamento e forza del muscolo da cui sono estratte le miosine.
