Extraordinary stiffening and reciprocal control in a DNA condensate/actin composite
Questo articolo dimostra che un composito di goccioline di DNA a separazione di fase all'interno di una rete di actina intrecciata raggiunge un sorprendente irrigidimento reversibile di 25 volte a basse frazioni di riempimento attraverso il controllo reciproco e l'entrainment dell'actina, il quale espande la dimensione effettiva dell'inclusione per dominare la meccanica del materiale.
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Immaginate un mondo costruito non di mattoni solidi, ma di fili aggrovigliati e flessibili, come una pallina di lana microscopica. In biologia e nella scienza dei materiali, queste reti simili a fili, spesso composte da proteine chiamate actina, formano l'impalcatura che conferisce alle cellule la loro forma e la loro forza. Quando si mescolano questi fili con altri materiali, come minuscole goccioline di liquido, si crea un composito. Di solito, le regole della fisica sono piuttosto rigide in questo ambito: se si vuole rendere il materiale più rigido, bisogna riempirlo con una grande quantità di materiale di riempimento solido. Se il riempimento occupa solo una piccola porzione dello spazio, il materiale rimane relativamente morbido. Questo è un limite fondamentale su cui ingegneri e biologi si sono affidati per decenni.
Tuttavia, la natura trova spesso modi per piegare queste regole, e uno studio recente rivela un esempio sorprendente di come un liquido possa rinforzare drasticamente un materiale morbido a base di fili senza la necessità di riempirlo. I ricercatori hanno scoperto un modo per mescolare un tipo specifico di DNA con una rete di actina per creare un materiale che diventa venticinque volte più rigido, anche se le goccioline di liquido di DNA occupano meno del dieci per cento del volume totale. Questa scoperta sfida la vecchia idea secondo cui è necessario molto materiale solido per rendere qualcosa duro, suggerendo invece che il modo in cui i liquidi e i fili interagiscono può creare una sorprendente potenza meccanica.
Gli scienziati, lavorando tra diverse università, si sono posti l'obiettivo di costruire questo insolito composito utilizzando due ingredienti principali. Il primo era una rete di filamenti di actina, che sono lunghi e rigidi filamenti proteici che naturalmente si aggrovigliano insieme per formare una maglia. Il secondo era una soluzione di nanostelle di DNA, che sono minuscole strutture ramificate fatte di materiale genetico. In condizioni normali, questi pezzi di DNA galleggiano liberamente. Ma quando i ricercatori hanno raffreddato la miscela, i filamenti di DNA hanno iniziato ad attaccarsi l'uno all'altro, raggruppandosi per formare goccioline liquide, molto simile all'olio che si separa dall'acqua. L'obiettivo era vedere cosa sarebbe successo quando queste neoformate goccioline di DNA si sarebbero manifestate all'interno dell'aggrovigliata rete di actina.
Ciò che hanno osservato è stata una relazione delicata e reciproca tra i due materiali. Mentre le goccioline di DNA si formavano, non spingevano da parte i fili di actina né li espellevano. Al contrario, i fili di actina passavano proprio attraverso le goccioline, intrecciandosi con il DNA liquido. Questa interpenetrazione significava che le goccioline di DNA e la rete di actina erano fisicamente collegate. I ricercatori hanno scoperto che la rigidità della maglia di actina circostante agiva come una gabbia, impedendo alle goccioline di DNA di crescere troppo. In una miscela senza l'actina, le goccioline si sarebbero gonfiate in enormi masse e sarebbero affondate sul fondo. Ma con la presenza dell'actina, le goccioline rimanevano piccole, uniformi e sospese in tutto il materiale, tenute in posizione dalla tensione elastica dei fili.
La scoperta più drammatica è avvenuta quando il team ha misurato quanto diventasse duro il materiale. Quando le goccioline di DNA si formavano, l'intero composito si irrigidiva di un fattore venticinque. Si trattava di un cambiamento enorme, che avveniva a una temperatura in cui le goccioline di DNA potevano sciogliersi nuovamente in un liquido e scomparire, rendendo l'effetto di irrigidimento completamente reversibile. I ricercatori sono stati in grado di passare da un materiale morbido a uno duro e viceversa semplicemente scaldando e raffreddando la miscela, un'impresa che i materiali con legami incrociati permanenti non possono compiere.
Per capire perché ciò fosse accaduto, il team ha dovuto escludere diverse spiegazioni comuni. Sapevano che a volte le goccioline possono irrigidire un materiale tirando sulla superficie del liquido, una forza nota come elastocapillarità. Tuttavia, le goccioline di DNA in questo studio avevano una tensione superficiale così bassa che questo effetto era troppo debole per giustificare l'enorme aumento di rigidità. Hanno anche considerato se il DNA potesse agire come una colla, incollando insieme i fili di actina. Ma i test hanno dimostrato che il materiale non si comportava come una rete incollata; al contrario, si ammorbidiva quando veniva teso, che è l'opposto di ciò che farebbe una rete incollata.
La risposta risiedeva nel modo in cui i fili di actina si comportavano all'interno delle goccioline. Poiché il liquido di DNA è così denso, costringe i fili di actina che lo attraversano a essere estremamente dritti e confinati. Questo confinamento fa sì che i fili all'interno della gocciolina agiscano come aste rigide. Quando il materiale viene schiacciato o sottoposto a taglio, questi fili confinati cercano di ruotare. Poiché sono ancorati all'interno della gocciolina, la loro rotazione trascina con sé i fili di actina circostanti. Questo effetto estende l'influenza meccanica di ogni gocciolina ben oltre la sua superficie fisica.
I ricercatori hanno calcolato che ogni gocciolina trascina efficacementamente una zona di fili di actina insieme a sé, raddoppiando la dimensione effettiva della gocciolina. Quando si hanno molte di queste zone ingrandite, esse iniziano a sovrapporsi e a connettersi, formando una rete continua e rigida che si estende attraverso l'intero materiale. Questa connessione, o percolazione, è ciò che permette alla piccola quantità di DNA di controllare la rigidità dell'intero sistema. È un po' come poche persone che si tengono per mano in una grande folla: se si collegano nel modo giusto, possono impedire all'intera folla di muoversi, anche se rappresentano una minima frazione del numero totale di persone.
Questo studio suggerisce che i sistemi biologici potrebbero usare trucchi simili per controllare le proprie proprietà meccaniche. Le cellule sono piene di goccioline liquide e fili proteici, e la capacità di attivare e disattivare la rigidità cambiando la temperatura o le condizioni chimiche potrebbe essere uno strumento vitale per il modo in cui le cellule si muovono, si dividono o rispondono all'ambiente. Per i ricercatori dei materiali, la scoperta offre un nuovo modello per la creazione di materiali intelligenti che possono cambiare la loro forza a piacimento, utilizzando il semplice e reversibile processo della separazione di fase piuttosto che legami chimici permanenti. Il lavoro dimostra che comprendendo come i liquidi e i fili si aggrovigliano, possiamo progettare materiali molto più forti e adattabili di quanto fosse precedentemente possibile pensare.
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