Gli insetti come mini fabbriche di molecole: una svolta nell'ingegneria chimica
Le fabbriche Caterpillar producono nanocarburi fluorescenti
I ricercatori guidati da Kenichiro Itami del RIKEN Pioneering Research Institute (PRI) / RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) hanno utilizzato con successo gli insetti come mini-fabbriche per la creazione di molecole, segnando una svolta nell'ingegneria chimica. Denominata "sintesi in-insetto", questa tecnica offre un nuovo modo di creare e modificare molecole complesse, che genererà nuove opportunità per la scoperta, lo sviluppo e l'applicazione di molecole non naturali, come i nanocarburi.
I bruchi della diabrotica sono in grado di convertire [6]MCPP in [6]MCPP-ossilene in modo molto più efficace rispetto a quanto avviene in laboratorio.
RIKEN
I nanocarboni molecolari sono strutture piccolissime composte interamente da atomi di carbonio. Nonostante le loro dimensioni minuscole, possono essere meccanicamente forti, condurre elettricità e persino emettere luce fluorescente. Queste proprietà li rendono ideali per l'impiego in applicazioni quali componenti aerospaziali, batterie leggere ed elettronica avanzata. Tuttavia, la precisione richiesta per la produzione di queste minuscole strutture rimane un ostacolo importante alla loro diffusione. Le tecniche di laboratorio convenzionali non riescono a gestire la manipolazione fine necessaria per mettere insieme atomo per atomo queste molecole complesse, e le loro forme definite rendono particolarmente difficile modificarle senza alterarne l'integrità.
"Il nostro team ha condotto ricerche sui nanocarburi molecolari, ma ha anche sviluppato molecole che agiscono su mammiferi e piante", spiega Itami. "Grazie a queste esperienze, ci siamo improvvisamente chiesti: cosa succederebbe se dessimo i nanocarburi in pasto agli insetti?".
Per quanto l'idea possa sembrare strana, è radicata nella biologia. Gli insetti, in particolare quelli che si nutrono di piante come cavallette e bruchi, hanno sviluppato sistemi sofisticati nell'intestino per scomporre sostanze estranee come tossine vegetali e pesticidi. Questi processi metabolici si basano su enzimi capaci di complesse trasformazioni chimiche. I ricercatori del RIKEN hanno ipotizzato che gli insetti possano fungere da fabbriche chimiche viventi, eseguendo quei tipi di modifiche chimiche ai nanocarburi che sono difficili da replicare in laboratorio.
Per testare il loro concetto, il team ha somministrato ai bruchi di tabacco - comuni parassiti agricoli con percorsi metabolici ben mappati - una dieta contenente un nanocarburo molecolare a forma di cintura noto come [6]MCPP. Due giorni dopo, l'analisi della cacca dei bruchi ha rivelato una nuova molecola, il [6]MCPP-ossilene, ovvero [6]MCPP che ha incorporato un atomo di ossigeno. Questo sottile cambiamento ha fatto sì che la molecola diventasse fluorescente.
Utilizzando tecniche come la spettrometria di massa, l'NMR e la cristallografia a raggi X, i ricercatori hanno determinato la struttura del [6]MCPP-oxilene. Gli esperimenti di biologia molecolare hanno individuato due enzimi, CYP X2 e X3, come responsabili della trasformazione. Ulteriori analisi genetiche hanno confermato che questi enzimi sono essenziali per il verificarsi della reazione.
Le simulazioni al computer hanno rilevato che questi enzimi possono legare simultaneamente due molecole di [6]MCPP-ossilene e inserire direttamente un atomo di ossigeno in un legame carbonio-carbonio, un fenomeno raro e mai osservato prima. "È estremamente difficile riprodurre in laboratorio le reazioni chimiche che avvengono all'interno degli insetti", spiega Itami. "I tentativi di laboratorio di questa reazione di ossidazione sono falliti o hanno avuto rese molto basse".
Fedele alla filosofia del PRI, questo lavoro è pioniere di una nuova direzione nella scienza dei materiali: produrre molecole funzionali utilizzando gli insetti. Il passaggio dalle tradizionali provette ai sistemi biologici - enzimi, microbi o insetti - permetterà di costruire nanomolecole complesse. Oltre ai nanocarburi molecolari incandescenti, con strumenti come l'editing del genoma e l'evoluzione diretta, la sintesi all'interno degli insetti potrebbe essere applicata a un'ampia gamma di molecole e funzioni, creando collegamenti tra la chimica organica e la biologia sintetica.
"Il verme del tabacco è un famigerato parassita agricolo a causa del suo rapido ciclo di vita e della sua eccezionale capacità di metabolizzare i pesticidi, che gli hanno fatto guadagnare la reputazione di cattivi globali nell'industria della protezione delle colture", spiega Itami. "Eppure, ciò che troviamo davvero affascinante è che nel nostro progetto proprio queste falene hanno assunto un ruolo inaspettato: non come avversari, ma come improbabili eroi".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
