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Articolo CER - Enzimi delle spugne: piccoli bio-costruttori della natura

Le spugne sembrano un'improbabile fonte di innovazione e invece potrebbero racchiudere la chiave per nuove nanotecnologie, dispositivi ottici innovativi e nuovi modi di far ricrescere il tessuto osseo umano e prevenire le malattie delle ossa. Difficile da credere? Non per Werner E.G. Müller. Nel progetto BIOSILICA, insieme al suo team sta sviluppando modi di adattare i complessi processi che le spugne naturali vitree usano per costruire le loro splendide strutture di biosilice e che si potrebbero usare in impianti biodegradabili che faciliterebbero la guarigione delle ossa dopo un intervento chirurgico o una frattura.
Articolo CER - Enzimi delle spugne: piccoli bio-costruttori della natura
La biomineralizzazione è la formazione di strutture composte che contengono materiali inorganici da organismi viventi - per esempio, un guscio d'uovo o un dente. La biosilice è un importante biominerale - prodotto nella scala delle gigatonnellate attraverso la biosilificazione, principalmente dagli organismi marini, come le spugne silicee.

Le delicate e intricate strutture di biosilice che si trovano nelle spugne silicee hanno una lunghezza che può andare da nanometri a millimetri. Queste bellissime strutture aperte di spicole di biosilice a forma di bacchette o stelle hanno incantato gli scienziati sin dalla loro prima osservazione. Ad un occhio più orientato all'applicazione esse rivelano altre interessanti caratteristiche: strutture di silice su scala nanometrica di componenti vitali in micro e nano elettronica, come isolanti e guide di onde ottiche. Inoltre, la biosilice promette di essere biocompatibile - una proprietà fondamentale per gli impianti medici.

Presso il Centro medico universitario dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza, in Germania, il professor Werner E. G. Müller e i suoi colleghi dell'Istituto di chimica fisiologica stanno usando una sovvenzione Advanced Grant del CER per scoprire i meccanismi fondamentali della biomineralizzazione e per sfruttare i suoi processi per una serie di interessanti nuove tecnologie.

"La bellezza della natura è che essa trova strategie per realizzare le cose. In chimica il cambiamento è limitato dall'energia di attivazione necessaria per una reazione chimica - bisogna mettere un sacco di energia per far partire il processo - dice Werner Müller - invece, le reazioni biochimiche aggirano questo ostacolo usando catalizzatori naturali per ridurre l'energia di attivazione necessaria. Nella biosilicificazione, sono gli enzimi ad assumere il ruolo di catalizzatori".

Infatti, sottolinea, fabbricare nanostrutture di silice e componenti ottici adesso comporta condizioni estreme: temperature di circa 1000 ºC per le fibre ottiche di silice. Le spugne invece ottengono risultati simili a temperatura ambiente e consumando molto meno energia tramite l'uso di enzimi che accelerano i processi chimici semplicemente legandosi temporaneamente ai materiali coinvolti.

Un nuovo paradigma su cui basarsi

"La scoperta dell'enzima catalizzatore silicetina negli ultimi dieci anni, e del suo ruolo nella formazione di biosilice inorganica, ha prodotto un cambiamento di paradigma per i ricercatori. Adesso sappiamo che solo pochi enzimi possono controllare le reazioni, ma la nostra ricerca mostra che questo non è una prerogativa della biosilice - anche altri materiali che contengono metalli si possono produrre usando enzimi specifici", spiega il prof. Müller. Il suo team sta facendo avanzare la ricerca sulla biosilicificazione con l'uso di tecniche rivoluzionarie della biologia strutturale, la biochimica, la bioingegneria e le scienze materiali. Questa ricerca ha già portato i suoi frutti in una parallela sovvenzione Proof of Concept assegnata dal CER al progetto Si-Bone-PoC.

"Le strutture delle spugne sono estremamente varie proprio come le ossa animali, ogni specie ha il suo specifico schema corporale. Anche se non sappiamo come questo sia determinato negli esseri umani, abbiamo scoperto che la crescita delle ossa è anch'essa controllata da enzimi, il che ci ha portato a produrre impianti prostetici che usano la biosilice fatta in vitro. Questi impianti si sono rivelati altamente biocompatibili negli esperimenti sugli animali - non vengono rigettati dall'organismo ospite".

"Stiamo scoprendo anche che offrono altri vantaggi: sono biodegradabili nel tempo, quindi si elimina il bisogno di interventi chirurgici per rimuoverli, come si fa per i chiodi metallici per guarire le fratture. Inoltre questa lenta biodegradazione permette una ricrescita controllata di nuovo tessuto osseo e infatti sembra che la biosilice favorisca la crescita di nuovo tessuto osseo. Non è una cosa che dovrebbe sorprendere visto che il corpo umano contiene biosilice e le spugne vitree sono stati tra i primi organismi a evolversi sulla Terra. Si pensa che siano gli antenati dei vertebrati, cosa che è riflessa in una marcata biocompatibilità.

"In Si-Bone-PoC stiamo portando avanti questa ricerca. In particolare, stiamo esaminando il ruolo che l'enzima silicetina potrebbe avere nel prevenire e persino curare l'osteoporosi, una malattia delle ossa legata all'età che comporta enormi costi e grandi sofferenze a chi ne è affetto e che è in aumento con l'allungarsi della vita.

Fonte: Prof. Werner Ernst Ludwig Georg Müller

Detaggli del progetto:

- Coordinatore del progetto: Centro medico universitario dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza, Germania
- Titolo del progetto: From gene to biomineral: Biosynthesis and application of sponge biosilica
- Acronimo del progetto: BIOSILICA
- Sito web dell'istituzione
- Programma di finanziamento del 7° PQ (Bando CER): Advanced Grant 2011
- Finanziamento CE: 2 200 000 euro
- Durata del progetto: 5 anni

Riferimenti

Müller W.E.G., Wang X.H., Grebenjuk V., Diehl-Seifert B., Steffen R., Schloßmacher U., Trautwein A., Neumann S. and Schröder H.C. (2013), Silica as a morphogenetically active inorganic polymer: effect on the BMP-2-dependent and RUNX2-independent pathway in osteoblast-like SaOS-2 cells; Biomaterials Sci. 1: 669-678
Müller W.E.G., Schröder H.C., Burghard Z., Pisignano D. and Wang X.H. (2013), Silicateins – A novel paradigm in bioinorganic chemistry: Enzymatic synthesis of inorganic polymeric silica; Chemistry Eur. J., 19:5790-5804
Wang, X.H., Schröder, H.C., Wang, K., Kaandorp, J.A. and Müller, W.E.G. (2012), Genetic, biological and structural hierarchies during sponge spicule formation: From soft sol-gels to solid 3D silica composite structures; Soft Matter, 8:9501-9518.

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