I nuovi microrobot si muovono grazie agli enzimi

Molti considerano gli enzimi come i motori della biochimica (lasciando da parte i mitocondri): catalizzano le reazioni, scompongono i substrati e mantengono in funzione i meccanismi vitali. Tuttavia, un numero crescente di ricercatori sta ripensando le loro potenzialità. Invece di facilitare i processi chimici, cosa accadrebbe se gli enzimi potessero dirigere e persino guidare microrobot verso un tumore?

I microrobot sono dispositivi minuscoli (spesso più piccoli dello spessore di un capello umano), progettati per svolgere all'interno del corpo compiti che sarebbero difficili o impossibili su scala più grande, come somministrare farmaci a un tessuto specifico. Un recente articolo pubblicato su Nature Nanotechnology da un team di ricercatori del California Institute of Technology e della University of Southern California offre un esempio particolarmente calzante (1).

Fase 1: Costruire il motore

Il team di ricerca ha costruito un microrobot utilizzando qualcosa di apparentemente semplice: bolle microscopiche con involucro proteico. Sonicando una soluzione di albumina sierica bovina (BSA) con una sonda a ultrasuoni, è stato possibile generare migliaia di minuscole bolle con involucri proteici sia strutturali che funzionali, fornendo gruppi chimici (come le ammine) che fungono da punti di attacco per altre molecole.

Pensate al rilascio di aria da un palloncino: essendoci una sola apertura, il gas che fuoriesce spinge l'aria in un'unica direzione. Allo stesso modo, questo squilibrio chimico genera una spinta direzionale netta, trasformando efficacemente ogni bolla in un microrobot semovente alimentato dall'urea (una sostanza chimica già presente nel corpo umano).

Fase 2: Progettare la bussola

Una volta risolto il problema della propulsione, il team si è occupato di indirizzare i microrobot verso un obiettivo specifico. Per farlo, ha aggiunto un secondo enzima alla superficie, la catalasi, che scompone il perossido di idrogeno in acqua e ossigeno (i tumori sono noti per produrre concentrazioni elevate di perossido di idrogeno rispetto ai tessuti sani). Questa differenza di concentrazione crea un gradiente chimico con più perossido di idrogeno vicino al tumore e meno nel tessuto sano circostante. Ciò significa che le microbolle dotate di catalasi risalgono il gradiente di perossido di idrogeno verso i siti tumorali attraverso la chemiotassi, un processo tipicamente associato alle cellule viventi che navigano nei gradienti chimici ma qui ingegnerizzato in un dispositivo sintetico. In altre parole, l'enzima catalasi si dirige verso il sito tumorale per il rilascio del farmaco.

Mettendo insieme tutti questi elementi, i ricercatori hanno impiegato i microrobot a bolla in modelli murini. Quando sono stati testati in un modello murino di cancro alla vescica, i robot a bolla alimentati da enzimi sono stati caricati con farmaci antitumorali e trasportati al sito del tumore. Una volta lì, i ricercatori hanno applicato ultrasuoni focalizzati per far scoppiare le bolle. Quando le bolle scoppiano, rilasciano il farmaco e, contemporaneamente, generano forze meccaniche che lo spingono più in profondità nel tessuto tumorale di quanto potrebbe fare da solo. In 21 giorni, questo approccio ha ridotto il peso del tumore alla vescica di circa il 60% rispetto al solo trattamento farmacologico.

Fase 3: Gli enzimi come macchine, un trend diffuso

I "bubble bot" fanno parte di un cambiamento più ampio nel modo in cui gli scienziati concepiscono gli enzimi. Nel campo della micro e nanorobotica, gli enzimi vengono sempre più utilizzati come componenti meccanici attivi nei robot, creando motori, sensori e sistemi di guida costruiti a partire dalle proteine.

L'ureasi, in particolare, è diventata un motore molecolare molto diffuso. Nel 2024, un altro team ha pubblicato su Nature Nanotechnology un lavoro che dimostrava come dei nanobot alimentati dall'ureasi e realizzati in silice mesoporosa fossero in grado di trasportare iodio radioattivo direttamente ai tumori della vescica nei topi, ottenendo una riduzione del tumore pari a circa il 90% (2). Altri gruppi hanno utilizzato la catalasi per azionare nanomotori a base di polimeri attraverso gradienti di perossido di idrogeno, la glucosio ossidasi per alimentare il movimento in ambienti ricchi di glucosio, e persino la lipasi per guidare le particelle attraverso fluidi contenenti lipidi (3).

Ciò che rende i sistemi alimentati da enzimi particolarmente interessanti per le applicazioni biomediche è la loro fonte di combustibile: molti di questi progetti funzionano con substrati già presenti nell'organismo. L'urea è presente ovunque nei fluidi biologici. Il glucosio è abbondante nel flusso sanguigno. Il combustibile è già disponibile, e i ricercatori stanno appena iniziando a capire come farlo utilizzare dagli enzimi.

Quello che un tempo sembrava fantascienza — dispositivi microscopici in grado di navigare autonomamente nel corpo umano e colpire i tumori con precisione chirurgica — sta diventando realtà grazie a proteine che esistono in natura da milioni di anni. Gli enzimi non sono solo i motori della biochimica: potrebbero presto diventare i protagonisti di una nuova era della medicina.
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Fonti

1. Tang, S. et al. Enzymatic microbubble robots. Nat. Nanotechnol. (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02109-6 ↩︎
2. Simó, C. et al. Urease-powered nanobots for radionuclide bladder cancer therapy. Nat. Nanotechnol. 19, 554–564 (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01577-y ↩︎
3. Chen, S., Prado-Morales, C., Sánchez-DeAlcázar, D. & Sánchez, S. Enzymatic micro/nanomotors in biomedicine: from single motors to swarms. J. Mater. Chem. B 12, 2711–2719 (2024). https://doi.org/10.1039/D3TB02457A ↩︎

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