È in grado di muoversi e cambiare forma in modo autonomo il modello di cellula artificiale descritto in un articolo sulla rivista “Science” e realizzato da una collaborazione internazionale guidata da Andreas Bausch della Technische Universität di Monaco (TUM), a cui partecipa la Scuola internazionale superiore di studi avanzati di Trieste (SISSA).

La cellula artificiale è uno degli obiettivi più ambiziosi della biologia sintetica. Riuscire a sintetizzarne una con le conoscenze e le tecniche attuali è assolutamente fuori dalla portata dei ricercatori, ed è per questo che si cerca di di produrre sistemi biologici che imitano le prime cellule comparse sulla Terra primordiale, costituite solo da qualche molecola inglobata in una membrana.

Il modello usato da Bausch e colleghi può essere immaginato come una vescicola: cioè una minuscola sacca, formata da una membrana lipidica a doppio strato, del tutto analoga a quella che si osserva in tutte le cellule degli organismi. All'interno di questa vescicola i ricercatori hanno inserito alcuni microtubuli, le strutture proteiche che costituiscono parte del citoscheletro, cioè l'impalcatura di sostegno delle cellule, e infine molecole di chinesina, che hanno la funzione di trasportare proteine e organelli membranosi all'interno delle cellule stesse lungo i microtubuli, ricavando l'energia necessaria dalle molecole di ATP, anch'esse aggiunte alla vescicola. 

Benché sembri una grossolana imitazione di una cellula, è un sistema che ha una profonda e complessa interpretazione fisica. All'interno della membrana, i microtubuli infatti formano un cristallo liquido bidimensionale. Un cristallo liquido è un composto organico che può esistere nelle cosiddette mesofasi, cioè in stati che sono a metà strada tra i due stati "classici" della materia, quello di solido cristallino, in cui le molecole hanno una posizione e un'orientazione determinata, e quello di liquido isotropo, in cui le molecole sono libere di muoversi e di assumere orientamenti diversi. Nel caso dei microtubuli, un certo grado di ordine esiste, perché formano un cristallo liquido definito "nematico": sebbene la posizione delle molecole sia del tutto casuale, il loro orientamento mostra una direzione privilegiata.

“Lo strato di cristallo liquido può essere immaginato come un insieme di tronchi di legno che galleggiano sulla superficie di un lago”, spiega Felix Keber, primo autore dello studio. “Quando la densità di tronchi raggiunge un valore limite, si allineano in modo da essere paralleli gli uni agli altri, ma possono ancora scivolare gli uni rispetto agli altri”.

Ma l'ordine che raggiunge non è mai assoluto, e questa imperfezione, che è essenziale per la vescicola perché ne permette la deformazione. A spiegare questi difetti, che in matematica si chiamato difetti topologici, è il teorema di Poincaré-Hopf.

“Quando ci pettiniamo la mattina, per quanto possiamo impegnarci non riusciremo mai a eliminare la 'rosellina' sulla nuca”, illustra Luca Giomi, matematico della SISSA. “È un esempio di difetto topologico, cioè una singolarità all’interno di una struttura ordinata che è impossibile da eliminare attraverso una deformazione continua“.

Nel caso dei microtubuli i difetti non sono fissi, ma in continuo movimento, per effetto delle forze che agiscono tra di loro. Questo movimento, tuttavia, non avviene in modo causale: si tratta infatti di un’oscillazione regolare fra due particolari conformazioni. È questa oscillazione a fornire alla cellula l'energia per il suo ciclo vitale.

"Con il nostro modello di sintesi biomolecolare, abbiamo creato una nuova opzione per lo sviluppo di modelli minimali di cellula”, conclude Bausch. “È adatto idealmente ad aumentare la complessità in maniera modulare, per ricostruire processi cellulari come la migrazione o la divisione delle cellule in modo controllato. Che il sistema creato artificialmente può essere ampiamente descritto da un punto di vista fisico, ci fa sperare che nelle prossime fasi potremo anche scoprire i principi alla base delle deformazioni cellulari molteplici".