4.6. Muscoli artificiali

Nei muscoli scheletrici i motori molecolari di miosina sono organizzati, in numero enorme, secondo una precisa struttura gerarchica (Fig. 10). Molte molecole di miosina formano filamenti, i quali, insieme ai filamenti di actina, costituiscono il sarcomero. Molti sarcomeri, collegati uno dopo l’altro, danno luogo a miofibrille che, a loro volta, sono associate in fasci, e così via a salire fino al muscolo macroscopico. L’azione concertata di miliardi di miliardi di molecole di miosina, ciascuna delle quali sviluppa una forza di pochi millesimi di miliardesimi di Newton, è più che sufficiente a sollevare, ad esempio, il libro che state leggendo. Tale osservazione contiene un messaggio importante: con le nanomacchine si può compiere lavoro meccanico nel nostro mondo. Ciò che occorre fare è inserire un numero molto grande di nanomacchine in una struttura organizzata, tale che esse possano essere stimolate simultaneamente e che i loro singoli effetti meccanici si sommino l’uno all’altro. In pratica, bisogna costruire un sistema capace di amplificare il movimento dalla scala nanometrica a quella macroscopica.

Una strategia intelligente per raggiungere questo obiettivo è combinare le macchine molecolari con la chimica dei polimeri. I polimeri sono molecole di peso elevato – tipicamente da qualche centinaio a qualche migliaio di volte quello della molecola d’acqua – ottenute unendo fra loro molecole più piccole (i monomeri), di solito tutte dello stesso tipo o molto simili fra loro. Fra i polimeri presenti in Natura vi sono le proteine (o polipeptidi, ottenuti unendo fra loro gli amminoacidi, Fig. 9), gli acidi nucleici come il DNA e l’RNA e i polisaccaridi come l’amido e la cellulosa. I polimeri sintetici, più comunemente noti come materie plastiche, sono fra le innovazioni tecnologiche più importanti del secolo scorso e comprendono materiali con cui abbiamo a che fare continuamente, come polietilene, polivinilcloruro (PVC), polistirene, poliesteri (PET, policarbonato) e poliammidi (Nylon, Kevlar). Dalla ripetizione di molti monomeri (polimerizzazione) si possono ottenere macromolecole lineari, costituite da un’unica catena di monomeri, oppure macromolecole ramificate, nelle quali diverse catene di monomeri sono collegate fra loro in vari punti.

In termini generali si può pensare di utilizzare una macchina molecolare come monomero per la costruzione di un polimero. Ad esempio il gruppo di ricerca guidato da Nicolas Giuseppone all’Università di Strasburgo è riuscito ad ottenere un polimero lineare (Fig. 31a) usando come unità ripetitive muscoli molecolari artificiali basati su rotassani doppi (Fig. 23). Gli esperimenti hanno dimostrato che le catene del polimero, contenenti circa duemila monomeri, cambiano la loro lunghezza di alcuni micrometri in risposta alla stimolazione delle nanomacchine con acidi e basi, dimostrando l’amplificazione del moto molecolare (Fig. 31a). Più recentemente, applicando la medesima strategia, Giuseppone e collaboratori hanno costruito un polimero ramificato nel quale la distanza fra i punti di ramificazione può essere variata a comando grazie ai muscoli molecolari (Fig. 31b). Come mostrato in Fig. 31c, un frammento di questo polimero si restringe quando viene esposto ad una soluzione basica, che causa il passaggio dei muscoli molecolari dalla forma espansa a quella contratta. Dopo il successivo trattamento con una soluzione acida il frammento riacquista la dimensione originaria (Goujon 2017)¹.

**Fig. 31. (a)** In un polimero lineare costruito utilizzando muscoli molecolari basati su rotassani doppi come monomeri, la contrazione ed estensione simultanea dei monomeri, causata da stimoli esterni, può produrre un effetto su scala più grande. Se la macromolecola è abbastanza rigida, la sua variazione di lunghezza (ΔL) è proporzionale al numero di monomeri (n) e all’entità della loro contrazione/estensione (Δl). **(b)** Rappresentazione schematica della contrazione ed espansione di un frammento di polimero ramificato contenente muscoli molecolari (in nero) nelle catene. **(c)** Fotografie di un frammento macroscopico di polimero ramificato, del tipo rappresentato in **(b)**, che mostrano la diminuzione di volume del materiale quando viene immerso in una soluzione basica; il volume iniziale viene ripristinato in seguito al trattamento con una soluzione acida. Figura adattata per gentile concessione da *Journal of the American Chemical Society*, vol. 139, pp. 14825-14828 © 2017 American Chemical Society.

Esistono anche sistemi di struttura simile che utilizzano la luce come fonte di energia per il movimento. Altrettanto affascinanti e promettenti sono i risultati ottenuti in polimeri ramificati nei quali sono stati inseriti nanomotori rotativi del tipo mostrato nelle Figure 26b e c. Come rappresentato schematicamente nella Fig. 32, irradiando il materiale con luce ultravioletta si aziona la rotazione dei motori molecolari e, di conseguenza, le catene polimeriche si attorcigliano. Tale profondo cambiamento strutturale, che interessa tutta la porzione illuminata del materiale, ne causa la contrazione su scala macroscopica (Li 2015)². È interessante notare che un polimero del genere è in grado di immagazzinare parte dell’energia luminosa incidente in energia chimica, associata all’aggrovigliamento delle catene. Il sistema rappresentato nella Fig. 32 è stato recentemente modificato inserendo nelle ramificazioni, oltre ai motori rotativi, anche opportuni dissipatori molecolari che consentono lo svolgimento delle catene aggrovigliate e il rilascio dell’energia accumulata. Plastiche che funzionano come attuatori meccanici, basate su motori molecolari, sono oggi una realtà. Il prossimo passo è quello di studiarne le possibili applicazioni pratiche in settori come i dispositivi biomedicali o la robotica.