Accoppiando un circuito integrato con una membrana cellulare a doppio strato è possibile sfruttare l'energia immagazzinata nell'adenosina trifosfato, o ATP, per produrre una tensione elettrica. Lo dimostra un nuovo prototipo ibrido bio-artificiale che potrebbe trovare applicazione nella realizzazione di sensori per la rilevazione di sostanze pericolose o inquinanti(red)
L'adenosina trifosfato (ATP) è un composto chimico fondamentale per l'immagazzinamento dell'energia negli organismi viventi. Ora un gruppo di ingegneri della Columbia University guidati da Ken Shepard è riuscito per la prima volta a sfruttare una molecola di ATP per alimentare un circuito integrato, aprendo la strada alla realizzazione di sistemi ibridi bio-artificiali.
Il risultato, descritto in un articolo apparso sulla rivista “Nature Communications” è stato raggiunto combinando un circuito integrato convenzionale di tipo CMOS con una membrana lipidica composta da due strati contenenti pompe ioniche alimentate da ATP.
Per scambiare energia e informazioni con l'esterno, le cellule utilizzano cariche elettriche in forma di ioni, il cui flusso è controllato da canali ionici e pompe ioniche di natura proteica che formano dei pori sulla membrana fosfolipidica a doppio delle cellule stesse. L'ATP ha la funzione cruciale di trasportare l'energia dal punto in cui è generata al punto in cui è consumata.
Rappesentazione schematica del circuito integrato e ingrandimento della membrana cellulare doppio strato integrata al suo interno (Credit: Trevor Finney e Jared Roseman/Columbia Engineering) Shepard e colleghi hanno accoppiato un circuito integrato a una membrana cellulare in vitro: in presenza di molecole di ATP, il sistema pompa ioni attraverso la membrana stabilendo una differenza di potenziale elettrico che può essere sfruttata per alimentare il circuito. Il sistema è in grado di trasformare l'energia chimica in energia elettrica con un'efficienza del 14,9 per cento.
“Per verificare il funzionamento di un sistema ibrido di questo tipo, ne abbiamo realizzato una versione ingrandita che misura alcuni millimetri”, ha aggiunto Shepard. “I nostri risultati ci forniscono nuove informazioni su come massimizzare l'efficienza per sfruttare l'energia chimica tramite l'azione di queste pompe ioniche: ora possiamo cercare di miniaturizzare il sistema”.
Le prime applicazioni che si possono prevedere sono i sensori, utilizzati in diversi campi, dalla sicurezza al monitoraggio ambientale.
“Ora per rilevare la presenza di una bomba occorre l'olfatto di un cane, ma se si può prendere solo la parte del cane che è utile, le molecole responsabili della rilevazione delle sostanze pericolose, non c'è bisogno dell'intero animale”, ha concluso Shepard. “Con gli appropriati adattamenti, questa tecnologia potrebbe fornire una fonte energetica anche negli ambienti ricchi di ATP come l'interno delle cellule”.
