Micromacchina ibrida usa batteri per convertire luce in movimento

Una micromacchina ibrida che usa batteri per convertire la luce in movimento
Molti batteri come E. coli sono fantastici nuotatori capaci di percorrere più di dieci volte la loro lunghezza in un secondo, approssimativamente la stessa velocità di un ghepardo (misurata in lunghezze del corpo al secondo). Per farlo usano il motore flagellare che ruota sottili filamenti elicoidali, i flagelli, a più di cento giri al secondo. Il motore flagellare è una sorta di motore elettrico alimentato da un flusso di cariche elettriche che la cellula accumula costantemente nello spazio periplasmatico che circonda la membrana interna della cellula. Il meccanismo con il quale i batteri "ricaricano le batterie" richiede di solito l'ossigeno e prende il nome di respirazione. Nel 2000 una nuova proteina, chiamata proteorodopsina, è stata scoperta mediante il sequenziamento genetica di batteri in campioni di plancton prelevati dall’oceano. La proteorodopsina si inserisce nella membrana cellulare dove utilizza energia proveniente dalla luce per accumulare carica nella “batteria” anche in assenza di ossigeno.

All'Università Sapienza di Roma, un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica e del CNR-NANOTEC guidati dal professor Roberto Di Leonardo, ha dimostrato che alcuni batteri geneticamente modificati e in grado di produrre proteorodopsina, possono essere utilizzati come minuscoli propulsori in micromacchine invisibili all'occhio umano e la cui velocità di rotazione può essere finemente regolata illuminando con luce verde di intensità controllabile. “Utilizzando un processo di stampa laser 3D su scala nanometrica", spiega C. Maggi, "possiamo realizzare dei micromotori composti da anelli circolari sulla cui superficie esterna sono state scavate delle microcavità in grado di intrappolare una singola cellula batterica e costringerla a spingere il rotore". Accoppiando un proiettore al microscopio, i ricercatori hanno poi illuminato ogni singolo rotore con riflettori di luminosità variabile riuscendo a far ruotare più rotori all’unisono.
"Rispetto ai nostri precedenti tentativi basati su batteri non modificati e strutture piatte, il nostro sistema combina un'elevata velocità di rotazione ad un'enorme riduzione delle fluttuazioni", dice R. Di Leonardo, "possiamo già produrre centinaia di rotori indipendentemente controllati che utilizzano luce come fonte primaria di energia e che potrebbero un giorno essere alla base di componenti dinamici per microrobot in grado di selezionare e trasportare singole cellule all'interno di laboratori biomedici miniaturizzati”.

Questa ricerca è finanziata dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) nell’ambito del progetto SMART “Statistical Mechanics of Active Matter” (PI R. Di Leonardo).

Light controlled 3D micro-motors powered by bacteria
G. Vizsnyiczai, G. Frangipane, C. Maggi, F. Saglimbeni, S. Bianchi, R. Di Leonardo
Nature Communications, 8, 15974, (2017)
DOI: 10.1038/NCOMMS15974
email: roberto.dileonardo@uniroma1.it