Os pesquisadores de Princeton aprenderam a aproveitar a estrutura transparente que mantém a estrutura das células vivas e a usaram para desenvolver uma plataforma de nanotecnologia. A técnica poderá eventualmente levar a avanços na robótica leve, novos medicamentos e ao desenvolvimento de sistemas sintéticos para transporte biomolecular de alta precisão.



Em um artigo, "Construindo circuitos citoesqueletos no chip por meio de redes ramificadas de microtúbulos", publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , os pesquisadores demonstraram um método que permite controlar com precisão o crescimento de redes de biopolímeros como aquelas que fazem parte do esqueleto celular. Eles foram capazes de construir essas redes em um microchip, formando uma espécie de circuito operando com sinais químicos, em vez de elétricos.

Dentro das células, as proteínas tubulina formam bastonetes longos e incrivelmente finos, chamados microtúbulos. Redes de microtúbulos crescem como raízes de árvores em sistemas ramificados que formam um elemento primário do citoesqueleto, que dá forma às células e permite que elas se dividam.

Além de ajudar a manter a forma da célula, a estrutura microtubular também funciona como uma ferrovia molecular. Proteínas motoras especializadas transportam cargas moleculares ao longo dos filamentos dos microtúbulos. Ligeiras mudanças na composição molecular dos microtúbulos atuam como sinais para ajustar os cursos dos transportadores químicos, enviando cargas moleculares para os seus destinos.

Em Princeton, questões sobre essas redes intracelulares levaram a uma colaboração entre Sabine Petry, professora associada de biologia molecular, e Howard Stone, professor de engenharia mecânica e aeroespacial especializado em mecânica dos fluidos.

“Os sistemas biológicos que nos inspiraram eram axônios”, disse Meisam Zaferani, um dos principais pesquisadores. "Os axônios são longas saliências que saem de um neurônio que permitem o transporte molecular direcionado."

No sistema nervoso, as redes de microtúbulos funcionam tanto como estruturas que conectam as células nervosas quanto como um meio para o sistema nervoso transmitir sinais químicos que produzem sensações. Zaferani disse que os cientistas ainda estão trabalhando para compreender os elementos do crescimento dos microtúbulos e as propriedades químicas. Mas ele disse que a equipe de pesquisa queria saber se seria possível aproveitar as redes para aplicações práticas.

“Engenheiros e físicos começaram a estudar microtúbulos como componentes para construir novos materiais e tecnologias”, disse ele. "Existem muitos mistérios sobre as suas propriedades fundamentais, mas sabemos o suficiente para começar a pensar sobre como poderíamos projetar estes sistemas."

Com o co-pesquisador Ryungeun Song, Zaferani trabalhou para criar um sistema para controlar o crescimento de microtúbulos nos laboratórios de salas limpas do Princeton Materials Institute.

Utilizando equipamentos especializados em micro/nanofabricação e microfluídica, os pesquisadores controlaram com precisão o crescimento dos ramos dos microtúbulos. Eles foram capazes de ajustar o ângulo e a direção do crescimento e criar microestruturas nas quais a direção do crescimento dos microtúbulos era regulada.

Zaferani disse que o Instituto de Materiais oferece uma combinação única de equipamentos e conhecimentos que seria difícil de encontrar em qualquer outro lugar.

Os pesquisadores planejam continuar direcionando a carga química ao longo dos ramos dos microtúbulos. O objetivo é construir um sistema de transporte de produtos químicos controlável. Num esforço relacionado, eles também estão examinando o uso de redes de microtúbulos como uma ferramenta como micropinças que exercem força física em objetos incrivelmente pequenos.

O grupo de pesquisa de Petry colabora há muito tempo com Stone, o professor Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, na intersecção da biologia e da dinâmica dos fluidos. Eles contrataram Song, um engenheiro mecânico que se concentrou em microfluídica em seu trabalho de pós-graduação; e Zaferani, um biofísico que estudou os sinais que ajudam os espermatozoides dos mamíferos a navegar em direção ao óvulo.

Stone, que frequentemente colabora com colegas de engenharia e ciências naturais, disse que misturar conhecimentos de diversas disciplinas muitas vezes leva a resultados notáveis.

“Acho muito interessante encontrar problemas que envolvam a mecânica dos fluidos em outras áreas”, disse ele. "Muitas vezes encontro um tópico que é mal compreendido pelos cientistas do outro lado e mal compreendido por mim mesmo, e juntos trabalhamos para resolvê-lo."

Mais informações: Meisam Zaferani et al, Construindo circuitos citoesqueletos no chip por meio de redes ramificadas de microtúbulos, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315992121
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Universidade de Princeton