Eccezionale scoperta: svelato un nuovo metodo per creare materiali e immagazzinare energia

La scoperta è stata fatta da Leonard Prins e Giulio Ragazzon, due giovani ricercatori dell’Università di Padova

La scoperta

Le cellule degli esseri viventi hanno al loro interno una rete di filamenti, che è fondamentale perché ne controlla la struttura, il movimento e la resistenza meccanica. Questa intelaiatura è formata da enzimi che si assemblano in filamenti. Ciò che rende speciali i filamenti è che per formarsi hanno bisogno di un continuo apporto di nutrienti. L’energia così fornita viene incamerata nei filamenti, che altrimenti spontaneamente non si formerebbero, grazie ad un meccanismo chimico. Il modo con cui i filamenti si assemblano è stato ampiamente studiato dai biochimici – in maniera molto concreta – e dai fisici – in modo teorico. L’anello mancante era l’aspetto chimico. Il grande vantaggio di un chimico è saper sintetizzare le molecole, quindi capire dal loro punto di vista questo meccanismo significa poter creare dei materiali sintetici ispirati all’intelaiatura delle cellule. Qualcosa che fino ad oggi era inimmaginabile. L’assoluta novità di questo lavoro è dimostrazione che questi materiali si formano perché sono in grado di accumulare energia dai nutrienti. Inoltre i ricercatori hanno sviluppato un metodo che permette la quantificazione dell’energia accumulata. Questo consente di progettare razionalmente dei sistemi che convertono energia in maniera innovativa e la accumulano in strutture altrimenti impossibili da assemblare.

I ricercatori

A fare questa scoperta due chimici dell’Università di Padova: il Prof. Leonard Prins e il Dr. Giulio Ragazzon. I due rappresentano un caso esemplare in cui la scienza italiana è riuscita ad attrarre talenti dall’estero (Leonard è olandese), ottenere fondi europei e valorizzare i suoi giovani. Infatti, la ricerca è stata possibile grazie al prestigioso finanziamento europeo per la ricerca – ERC – vinto dal Prof. Prins. Grazie a questi fondi è stato assunto Giulio, che nel 2016 ha ricevuto il più prestigioso premio per giovani chimici europei, lo European Young Chemist Award. Solo quattro italiani hanno ricevuto questo riconoscimento da quando esiste (10 anni). Recentemente entrambi avevano già attirato l’attenzione dell’opinione pubblica, per lo sviluppo di una pompa molecolare (Nature Nanotechnology 2015) e di una nanoreattore transiente (Nature Chemistry 2016).

Ottenere strutture altrimenti impossibili

La necessità di assimilare energia dai nutrienti è una caratteristica che accomuna tutte le forme di vita. I materiali proposti dai ricercatori sarebbero i primi a implementare questa capacità in sistemi artificiali. Ciò permette di sviluppare materiali dinamici con proprietà completamente nuove. Per esempio, tornando ai filamenti naturali, essi possono disgregarsi se diminuiscono i nutrienti e andare a formarsi nuovamente in una zona più favorevole. Le cellule sfruttano questa dinamicità per deformarsi, muoversi e allo stesso tempo organizzare e proteggere i loro componenti interni, come il nucleo. In sostanza le cellule riescono ad immagazzinare parte dell’energia che viene dai nutrienti, assemblando alcuni enzimi in filamenti ad alta energia, così da formare un’intelaiatura dinamica con proprietà finora inarrivabili per qualunque materiale statico.

Nuova luce sull’evoluzione

In un’ottica più ampia, i ricercatori hanno mostrato che la capacità di un insieme di molecole di immagazzinare energia può essere una forza evolutiva. I sistemi capaci di immagazzinare più energia sono quelli che riescono a perdurare anche quando tenderebbero spontaneamente a decomporsi. Quindi non sarebbe il sistema più stabile a sopravvivere, ma quello che riesce ad immagazzinare più energia. E’ una sorta di evoluzione darwiniana, in cui sopravvive l’insieme di molecole che sfrutta meglio le risorse energetiche a disposizione. “Immaginate un insieme di tante piccole molecole” – racconta il Prof. Prins – “in presenza di un nutriente queste molecole evolverebbero nella struttura migliore ad assimilare l’energia del nutriente, e non nella forma più stabile. Questo è un comportamento completamente opposto rispetto ai sistemi molecolari studiati finora, che in larghissima maggioranza sono assemblate nella forma più stabile. Con la strategia proposta da noi è invece possibile ottenere e mantenere strutture ad alta energia, con proprietà meccaniche completamente diverse. Abbiamo già iniziato a lavorare per sviluppare materiali con queste caratteristiche”

Materiali dinamici e conversione dell’energia

Questa scoperta si colloca nell’ambito della nanotecnologia. Infatti, lo studio è stato pubblicato sulla più importante rivista al mondo del settore. In questo ambito i chimici lavorano alla stregua degli ingegneri, usando però le molecole come elementi costitutivi per la costruzione di strutture con dimensioni nanometriche (grandi un milionesimo di metro). Facendo cambiamenti a livello molecolare si possono modificare radicalmente le proprietà del prodotto finale. Ora ci possiamo aspettare un’accelerazione nello sviluppo di nuovi materiali dinamici, capaci di adattarsi al cambiare delle condizioni in cui si trovano. Inoltre, il lavoro apre le porte alla creazione di nuovi sistemi capaci di convertire e immagazzinare energia chimica.

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