Dal muco di un proto-pesce nasceranno le super fibre del futuro?

Il miracoloso muco delle missine potrebbe sostituire il kevlar ed essere utilizzato in campo medico

[6 luglio 2016]

protopesce

Grazie alle missine, un  guizzante e viscido proto-pesce anguilliforme, un  giorno potremmo riuscire a produrre e un nuovo tipo di materiale forte e flessibile per produrre giubbotti antiproiettile e parti di automobili robustissime e leggere. Le missine, prive di spina dorsale, potrebbe sembrare una fonte improbabile per realizzare questi progressi tecnologici, ma si è scoperto che questi antichi animali trasudano un muco con proprietà straordinarie che da solo potrebbe portare alla produzione di una nuova classe di materiali ecocompatibili. A dirlo e speralo è Douglas Fudge, un biologo dell’università canadese di Guelph che ha pubblicato su Pnas l’articolo  “Inner Workings: Will hagfish yield the fibers of the future?” Fudge alleva da 50 a 100 missine in vasche di acqua di mare fredda per raccogliere il loro muco e spiega che «Ciò che rende questo muco così straordinario sono le sue caratteristiche  particolari, che lo rendono sia notevolmente forte che flessibile». Adattare i fili prodotti con questo muco ad un utilizzo umano è un esempio di ingegneria biomimetica attraverso la quale gli scienziati cercano di sviluppare materiali ispirati alla natura: come ad esempio super-colle che si ispirano alle zampe dei gechi o  edifici che gestiscono il caldo e il freddo come i termitai.

Anche se vengono considerate vertebrati, le missine mancano di vere e proprie vertebre  ossee, ma  hanno una notocorda astiforme fatta di cartilagine. Anche se i reperti fossili non hanno rivelato il loro esatto lignaggio le Myxinidae si sarebbero discostate dagli altri vertebrati molto presto nel corso dell’evoluzione dei pesci, circa 500 milioni di anni fa. Indipendentemente da ciò, sembra che abbiano conservato gran parte della loro forma primordiale, anche se  vantano una biologia piuttosto impressionante.

Timothy Winegard, un ex studente di Fudge che ora è il direttore della Algonquin Wildlife Research Station nell’Ontario, in Canada, spiega su Pnas che «Il muco, in sé e per sé, è incredibilmente unico nel regno animale. Viene provocato, da un predatore o un concorrente, e una missina potrebbe rilasciare soli 90 milligrammi di latte, il concentrato “pre-muco” (quello che i ricercatori chiamano “essudato”) dalle ghiandole nella sua pelle. Questo materiale si combina con l’acqua di mare per produrre quasi un litro di muco acquoso, che secondo gli scienziati ostruisce le branchie di qualsiasi aspirante mangiatore di missine».  I ricercatori del il laboratorio di Fudge hanno cercato di capire come le missine producono gli ingredienti del muco  e come li essudino in meno di un secondo, ma hanno anche studiato come questo materiale un giorno potrebbe sostituire fibre a base di petrolio come il kevlar.

«In linea di principio – si legge su Pnas –  le fibre di Myxinidae potrebbe essere più facili da produrre su larga scala, rispetto ad un altro candidato per le fibre biomimetiche: la seta di ragno artificiale. L’ingegneria genetica dei batteri per produrre ripetutamente grandi quantità di proteine della seta di ragno si è dimostrata  difficile. «Inoltre, la seta naturale ottiene gran parte della sua forza da come viene plasmata da filiere del ragno, va bene per un ragno, ma difficili da replicare – dice Fudge  – Le missine hanno un vantaggio, a cominciare dalla composizione della loro secrezione vischiosa».

Il muco delle Myxinidae è diverso da qualsiasi altro muco biologico: il proto-pece lo produce con due diversi ingredienti: i fili e le vescicole piene di mucina. Creando così un “setaccio” 3D: una rete di fibre che rallenta il muco. Una sostanza viscida ma che se viene allungata si sente che contiene delle fibre forti, Se questo materiale viene “tirato” per qualche minuto perde gran parte del liquido, lasciando dietro di sé una manciata di fibre viscide, da uno a tre micron di diametro l’una. Queste fibre sono “impacchettate” in filamenti intermedi, uno dei tre tipi di citoscheletro delle cellule. Questi filamenti simili ad una banda elastica, non solo sostengono l’architettura di una cellula, ma si combinano con altri materiali per rendere dura la cheratina dei capelli e delle unghie.

Pnas evidenzia che i fili delle missine possiedono un’altra proprietà interessante: si può tirarli circa il 33% in più rispetto ai loro lunghezza originale e rimangono ancora morbidi ed elastici. Ma tirandoli di più si rompono le flessibili proteine a forma di α-elica nei filamenti che si combinano con le proteine vicine, creandone un’altra forma chiamata β-sheet. Questa struttura conferisce robustezza e rigidità al filo. Una volta avviata questa transizione, il filo può essere allungato molto di più, fino a triplicare la sua lunghezza originale. Secondo le misurazioni eseguita da Fudge, questo super-filo prodotto con il muco si spezza ad un carico di circa 700 megapascal. La seta di ragno si rompe a 1.000 megapascal e anche lei si rafforza grazie alle proteine β-shaped.

Il segreto della rapida produzione delle fibre di muco nelle missine si trova all’interno delle cellule della sua ghiandola del muco: Come ha scoperto Winegard studiando con il microscopio elettronico le cellule in diverse fasi di maturità. Il filo inizia come una fibra  sottile e disorganizzata in una cellula con un grande nucleo nel mezzo. Dato che il filo cresce urta contro la membrana cellulare e inizia naturalmente ad avvolgersi  intorno al nucleo, quindi il nucleo si restringe, assume  una forma conica, e migra ad una estremità della cellula, dove agisce come un perno su cui si avvolgono 500 spire di fili ordinati casualmente.

«Il lavoro di Tim è stato un grande passo avanti per noi . dice Fudge – Ci ha permesso di dare uno sguardo nella precisa organizzazione».

Da queste scoperte è partita una ricerca al laboratorio dell’università del Western Ontario per cercare di produrre le prime fibre artificiali dal muco delle missine, utilizzando sia le proteine prodotte dalle ghiandole del muco che la vimentina del filamento intermedio, prodotto da batteri ricombinanti. Poi i ricercatori hanno liofilizzato le  proteine e le hanno dissolte  in acido e quindi hanno versato la soluzione sopra un buffer. Si è facilmente formata una pellicola, e quando i ricercatori l’hanno raccolta con una pinzetta sono venuti fuori i fasci di fili.

«Le fibre erano abbastanza terribili rispetto al muco prodotto delle missine nativi», ammettono i ricercatori. I fili di proteine artificiali di missine si spezzano ad una tensione intorno ai 150 megapascal, i fili di vimentina si spezzano a circa 170 megapascal. Tuttavia, i ricercatori pensano che i primi esperimenti abbiano dimostrato un grande potenziale.

«Non so se posso arrivare al punto di dire che potrebbe soppiantare seta di ragno in termini di proprietà dei materiali, ma ci sono sicuramente alcuni vantaggi per il muco di missine – commenta Jan Rainey della Dalhousie University di Halifax, Canada , un biologo strutturale che lavora sulla seta di ragno – Le fibre di Fudge contengono ancora troppe α–eliche di essere veramente forte, E le regioni della proteina disorganizzate presenti nella seta di ragno rendono quei fili particolarmente flessibili. Ma produrre seta di ragno richiede solventi aggressivi, come ad esempio l’alcool fluorurato, mentre le proteine di missine sono solubili in acqua. Questo potrebbe consentire linee di produzione più rispettose dell’ambiente»,

Fudge ipotizza che «I fili α-elica flessibili, incorporati in materiali compositi, potrebbero rivelarsi utili per assorbire grandi impatti nei prodotti, come i caschi di sicurezza. E le fibre β-sheet di missine, se realizzate  abbastanza forti, potrebbe sostituire il Kevlar che è tessuto nei giubbotti antiproiettile».

Raney conclude: «Entrambe le versioni potrebbe essere utile per dare flessibilità o aggiungere forza ai  materiali, come le parti di automobili, senza aggiungere peso».

«Già ora, le proprietà della fibra di vimentina sono paragonabili ai tendini umani – aggiungono i ricercatori laboratorio dell’università del Western Ontario –  E questo suggerisce che possano contribuire a sostituire quelli danneggiate».

Per ora, con il proto-pesce si realizzano prodotti più frivoli: la pelle di missina viene spesso venduta come  “pelle di anguilla” per farne portafogli, borse e giacche. Fudge ammette di avere una piccola collezione, ma spera di poter realizzare in un prossimo futuro applicazioni molto più importanti.