Da una parte c’è un gruppo di ingegneri italiani, delle Università di Trento e di Napoli Federico II. Al di là dell’oceano un’equipe di biofisici e medici dell’Università di Chicago, che si distingue a livello internazionale per la ricerca su modelli applicabili alle malattie polmonari. La loro collaborazione scientifica è iniziata cinque anni fa, sotto la pressione della pandemia, ma poi è proseguita nel tempo con il coinvolgimento in una serie di studi condivisi e molto promettenti. Insieme ora hanno raggiunto un risultato che aiuta ad avere una comprensione più ampia e profonda di come è fatta e di come funziona la materia vivente. A cominciare dalla membrana, sottile ed elastica, che avvolge gli alveoli.
La rivista scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (Pnas) ha dato notizia della loro ricerca con un articolo uscito nelle scorse settimane (https://doi.org/10.1073/pnas.2502369122).
Si parla di elasticità, deformazione, instabilità di “pellicole” che possono ricordare quella trasparente che si usa per proteggere e conservare i cibi freschi. Ma solo alla lontana. Perché, in realtà, sono più sottili: nell’ordine di qualche millesimo di micron. E, soprattutto, sono materia vivente: film biologici, monostrati lipidici formati da molecole.
A indicare la portata del lavoro è Luca Deseri, ordinario di Scienza delle Costruzioni, autore del Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica dell’Università di Trento: «La collaborazione tra l’Università di Chicago, l’Università di Napoli Federico II, e in particolare con i professori Massimiliano Fraldi e Angelo Rosario Carotenuto, rispettivamente ordinario e associato della stessa disciplina, e l’Università di Trento ha portato a importanti progressi nello studio dei film biologici sottili autoassemblati, strutture bidimensionali formate da molecole che si organizzano spontaneamente. I monostrati lipidici sono stati utilizzati per indagare il comportamento meccanico di questi materiali e i meccanismi di collasso».
Lo studio ha integrato modelli matematici predittivi avanzati e osservazione sperimentale. «Questa combinazione ha permesso di simulare con precisione come, e sotto quali condizioni, i film sottili si deformino, sia attraverso riorganizzazioni della loro microstruttura, sia piegandosi e rilasciando tensione. Il lavoro ha aperto nuove prospettive per comprendere le instabilità superficiali tipiche di questi sistemi».
Deseri chiarisce: «I film sottili, presenti all’interfaccia tra aria e liquido, non sono solo oggetti di laboratorio: si trovano in natura e nella tecnologia e svolgono funzioni cruciali. Regolano, ad esempio, la tensione superficiale, un parametro fondamentale per la stabilità di dispositivi medici, materiali elettronici e sistemi di rilascio di farmaci».
Lo studio segna un passo importante anche sulla strada, lunga e in salita, per comprendere e affrontare meglio un’infiammazione polmonare come la sindrome da distress respiratorio acuto, che compromette in modo grave la respirazione e per la quale non si è ancora individuata una terapia per curare le persone adulte. Questa sindrome si verifica quando si danneggia la parete sottile e con proprietà elastiche che avvolge gli alveoli come un palloncino e quindi si interrompe la regolare ossigenazione del sangue che assicura il buon funzionamento dell’organismo.
«Studi recenti suggeriscono che le interfacce biologiche negli alveoli, composte da lipidi e proteine, possano comportarsi come un materiale granulare, capace di riorganizzare i propri componenti per adattarsi alle sollecitazioni meccaniche».
Deseri che, insieme ai colleghi Fraldi e Carotenuto ne studia gli aspetti meccanico-modellistici, sia matematici sia computazionali, spiega che i monostrati, utilizzati nello studio, che imitano le interfacce lipidiche naturali, sono da anni strumenti fondamentali nella biofisica, nella biochimica e nell’ingegneria applicata alle nanotecnologie perché permettono di studiare in modo controllato come questi sistemi rispondono alle forze esterne e regolano la propria struttura.
Racconta le attività svolte in laboratorio per produrre e studiare questi aggregati lipidici: «Così possiamo osservarli facilmente, controllare le loro geometrie, le loro dinamiche, capire come questi film reagiscono alle sollecitazioni e si riorganizzano, i loro riarrangiamenti. Osservazioni che sarebbe pressoché impossibile fare negli alveoli umani. Questa è la prima volta che si riesce a dimostrare l’analogia morfologica tra i meccanismi di collasso dei monostrati e della membrana degli alveoli».