Hockey microbico: gli scienziati dell'ISTA scoprono come i batteri fanno ruotare piccoli dischi e creano materiali insoliti
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All'Istituto di Scienza e Tecnologia Austriaco (ISTA), i ricercatori assomigliano a fabbri mentre lavorano con i batteri. Quando vengono messi in acqua, gli E. coli contribuiscono a formare aggregati simili a gel e, come ora dimostrato dal Laboratorio Materiali Molli, a far ruotare piccoli dischi simili a dischi da hockey generando una coppia. Finanziata dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) e pubblicata su Nature Physics, questa scoperta contribuisce alla comprensione dei batteri in spazi ristretti e potrebbe portare alla creazione di materiali morbidi.
Volano scintille. Un martello colpisce ripetutamente un'incudine. Colpo dopo colpo, il pezzo di metallo arroventato prende lentamente la forma di una spada. Il fabbro, soddisfatto, la tiene in aria prima di riportarla nel forno ardente per riscaldarla fino a farla brillare. Questa scena potrebbe facilmente appartenere a una serie fantasy medievale come The Witcher o a videogiochi come Elden Ring.
Presso l'Istituto di Scienza e Tecnologia Austriaco (ISTA), il borsista ERC Jérémie Palacci e il suo gruppo di ricerca si stanno avventurando nella metallurgia, anche se con una svolta. Al posto degli strumenti tradizionali, gli scienziati utilizzano il batterio E. coli, spesso associato a infezioni legate a cibi contaminati. Quando vengono immessi nell'acqua, i loro lunghi flagelli - code che li spingono in avanti - creano un cosiddetto bagno attivo. Questo ambiente dinamico aiuta a formare aggregati simili a gel, agendo come un piccolo fuoco e portando la "temperatura" a un equivalente di 2000 °C, simile a quella necessaria a un fabbro per forgiare i metalli. Riesce persino a far girare minuscoli microdischi.
Nella loro nuova pubblicazione congiunta, Daniel Grober e Jérémie Palacci dell'ISTA, insieme a Tanumoy Dhar e David Saintillan dell'Università della California, San Diego, rivelano il processo alla base di questa scoperta. La ricerca è stata condotta nel Laboratorio Materiali Molli, situato nel campus dell'ISTA, in collaborazione con il Dipartimento di Fisica della UC San Diego.
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Micro rotori
In una pubblicazione su Nature Physics del 2023, Palacci, Grober e colleghi hanno dimostrato che questi bagni attivi alimentati da batteri riescono a spingere colloidi appiccicosi - perline rotonde che si uniscono a contatto - a formare aggregati simili a gel che ruotano in senso orario, originati dalla rotazione in senso orario dei flagelli di E. coli. Tuttavia, la ragione di questo comportamento non era chiara.
Ispirati da uno studio del 2010 in cui i batteri interagendo con ingranaggi - sia simmetrici che asimmetrici - facevano ruotare solo gli ingranaggi asimmetrici, Grober e Palacci hanno indagato ulteriormente.
"In questo lavoro, i batteri agivano come piccoli veicoli, spingendo costantemente l'ingranaggio asimmetrico a girare", ha teorizzato all'epoca Palacci.
I ricercatori hanno ipotizzato che la forma asimmetrica potesse anche essere la causa dei loro grumi rotanti. Tuttavia, la misurazione di questo effetto si è rivelata difficile, poiché l'asimmetria casuale delle zolle comportava un eccessivo rumore nei dati.
I "dischi da hockey" rotanti
Gli scienziati hanno quindi dovuto fare un passo indietro e proporre un esperimento per chiarire cosa stesse accadendo. Per farlo, Grober ha utilizzato una nanoprinter 3D per creare microdischi lisci e simmetrici simili a dischi da hockey. Dopo aver introdotto questi "dischi" nei bagni attivi riempiti di E. coli, sono stati sorpresi di vederli ruotare in senso orario, smentendo l'ipotesi precedente secondo cui le forme simmetriche non girano.
I ricercatori hanno anche scoperto che un disco leggermente più dettagliato, ad esempio con quattro compartimenti che si estendono verso il centro, girava ancora più velocemente delle sue controparti più semplici. Gli spazi ristretti hanno permesso ai batteri di agire come piccole pale, migliorando la rotazione. È interessante notare che un disco a un solo scomparto senza estremità chiuse ruotava non appena un E. coli vi nuotava attraverso, il che implica che il contatto meccanico con la parete della camera non era necessario per il movimento.
Interazione idrodinamica
Palacci ha chiarito che il contatto diretto non è la chiave per far girare i dischi. Questo a differenza di quanto si era visto con gli ingranaggi asimmetrici. Il nuovo studio dimostra invece che gli E. coli che nuotano attorcigliano il fluido intorno a loro semplicemente per il modo in cui nuotano. I loro corpi ruotano in una direzione mentre i flagelli ruotano in quella opposta.
Quest'azione di torsione, o coppia, fa sì che il liquido vuoti sia davanti che dietro le E. coli che nuotano, creando una forza di trazione sulla parete superiore della camera. Anche se questi movimenti di rotazione si annullano a vicenda e il centro del disco rimane stabile, si crea una coppia complessiva che fa girare il disco. Questo perché le rotazioni avvengono in punti diversi della camera.
Si pensi al tentativo di aprire un barattolo di marmellata, cercando di torcere il coperchio, ma il centro non si muove. I modelli matematici si sono allineati a queste osservazioni, offrendo la prova che l'E. coli guida il movimento attraverso l'interazione idrodinamica.
"È un risultato ben noto nel nostro campo che la controrotazione del corpo e della flagella (coda) di un E. coli fa sì che esso nuoti in cerchio in senso orario vicino a una superficie solida", spiega Grober.
"Ci siamo resi conto che potevamo capovolgere queste dinamiche confinando l'E. coli in un canale microscopico sotto il disco". Questi esperimenti utilizzano lo stesso effetto idrodinamico per creare, essenzialmente, un motore microscopico e senza contatto, che aziona la rotazione persistente del disco".
Impatto sulla terapia medica e sulla sostenibilità?
Si tratta di una scoperta importante perché la capacità dei batteri flagellati di ruotare gli oggetti si basa sul confinamento ed è cumulativa e agnostica rispetto alla forma dell'oggetto che ruota. In sostanza, questo fenomeno dovrebbe essere osservabile ogni volta che i batteri si trovano in spazi ristretti - un evento comune in natura, sia all'interno dei biofilm, che sono cruciali per la resistenza batterica, sia nei terreni, dove i batteri svolgono un ruolo vitale nel mantenere l'equilibrio dell'ecosistema. "Nonostante la sua importanza, questo effetto è stato finora trascurato", spiega Palacci. "Speriamo che questa nuova comprensione abbia un impatto significativo sulle terapie mediche o sugli sforzi di sostenibilità".
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.
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