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Jun 25, 2023

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4658 (2023) Citare questo articolo

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Le tattiche basate sui materiali hanno attirato ampia attenzione nel guidare l’evoluzione funzionale degli organismi. Con l'obiettivo di progettare organismi bioartificiali orientabili per eliminare i virus patogeni trasmessi dall'acqua, progettiamo Paramecium caudatum (Para), microrganismi unicellulari, con un organello semiartificiale e specifico per l'eliminazione dei virus (VSO). Le nanoparticelle magnetiche Fe3O4 modificate con un anticorpo di cattura del virus (MNPs@Ab) vengono integrate nei vacuoli di Para durante l'alimentazione per produrre VSO, che persistono all'interno di Para senza compromettere la loro capacità di nuotare. Rispetto al Para naturale, che non ha specificità di cattura e mostra un'inattivazione inefficiente, il Para (E-Para) ingegnerizzato con VSO raccoglie specificamente i virus trasportati dall'acqua e li confina all'interno dei VSO, dove i virus catturati sono completamente disattivati ​​perché i nano-perossidasi-simili Fe3O4 produce radicali idrossilici che uccidono i virus (•OH) nell'ambiente acido di VSO. Dopo il trattamento, l'E-Para magnetizzato viene facilmente riciclato e riutilizzato, evitando ulteriori contaminazioni. Gli organelli artificiali basati su materiali convertono il Para naturale in uno scavenger di virus vivente, facilitando l'eliminazione dei virus trasmessi dall'acqua senza ulteriore consumo di energia.

L'integrazione di nanomateriali e organismi funzionali può promuovere l'evoluzione funzionale degli organismi viventi con una reattività biologica indirizzabile e ampie prospettive di applicazione1,2,3, e attira quindi ampia attenzione nella biomedicina4,5,6, nella fabbricazione di microrobot7,8,9 e nella conversione dell'energia10 ,11 e scienze ambientali12. Curiosamente, i batteri magnetotattici (MTB) sono tipici esempi di organismi che regolano le proprie funzioni biologiche utilizzando materiali magnetici13,14. L'MTB è dotato di organelli noti come magnetosomi che contengono nanoparticelle magnetiche avvolte da doppi strati lipidici, che svolgono un ruolo vitale nel mantenimento della magnetotassi e nella sopravvivenza dell'MTB15,16. Da notare che il compartimento per il magnetosoma funge da potenziale porta per la differenziazione del pH o potenziale redox tra la vescicola e l'ambiente cellulare17. Ispirati all'MTB, i compartimenti subcellulari dinamici sono favorevoli all'integrazione del materiale poiché possono proteggere l'eliminazione biologica mantenendo la relativa stabilità nell'ambiente intracellulare, rappresentando un elemento chiave per la modifica dell'organismo. Tuttavia, sebbene l’evoluzione degli organismi basata sulla materia abbia attirato un ampio interesse interdisciplinare, le strategie necessarie per fabbricare i suddetti organelli integrati con la materia rimangono non adeguatamente sfruttate.

I protisti sono i più importanti pascolatori di virus negli ambienti acquatici. Svolgono un ruolo essenziale nel controllo efficace delle acque reflue biologiche18,19. Sono stati fatti tentativi per utilizzare i ciliati per affrontare i problemi dell'ambiente idrico20. Tuttavia, la suscettibilità del virus al pascolo da parte dei protisti dipende fortemente dalla specie e dall’idrofobicità del virus21. Nonostante la promessa mostrata di utilizzare i protisti per curare i virus trasmessi dall’acqua, i loro tassi di rimozione sono limitati di meno di 4 ordini di grandezza a causa della mancanza di conoscenze meccanicistiche. Ancora più importante, a causa della bassa efficienza nell’inattivazione dei virus, i protisti possono anche fungere da serbatoio del virus per proteggere i virus ingeriti dal trattamento di inattivazione22, che aumenta il rischio di trasmissione del virus trasmesso dall’acqua. Secondo i dati dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, le malattie trasmesse dall’acqua causate da virus continuano a diffondersi in tutto il mondo nonostante decenni di sviluppo di tecnologie di filtrazione e disinfezione a membrana23, come l’osmosi inversa (RO), l’ultrafiltrazione (UF), la nanofiltrazione (NF) e la clorazione/clorazione UV/ozono (tabella supplementare 1)24,25,26,27. In contrasto con le tecniche convenzionali, proponiamo la progettazione di un organello bioartificiale per la rimozione dei virus (VSO) per dotare i protisti della capacità di catturare ed eliminare specificamente i virus trasmessi dall'acqua.