Intracellular assembly of conductive nanofibres for cell communication

Self-assembly is a fundamental process through which molecules spontaneously organize into ordered structures, driven by non-covalent interactions. This mechanism is essential in both natural and synthetic systems, enabling the formation of functional materials with unique properties. In biological environments, self-assembly plays a crucial role in cellular organization, and harnessing this process can lead to innovative bioelectronic applications. This thesis explores the self-assembly of DTTO molecules into fibres within living cells, focusing on their formation, composition, crystallization, and physical properties. A combination of spectroscopic and structural characterization techniques confirmed that these fibres are composed solely of DTTO and exhibit a well-ordered crystalline molecular structure. Their crystallization was studied in detail, revealing a process driven by molecular accumulation in intracellular vesicles, followed by nucleation and fibre elongation. Once formed, fibres initially grow inside individual cells and then extend into neighbouring cells, propagating through the cellular environment. Additionally, the conductive properties of DTTO fibres were investigated, demonstrating their ability to restore intercellular communication in HEK-293T cells when natural gap junctions were pharmacologically blocked. Patch-clamp measurements revealed how depolarization signals propagate from one cell to another, supporting the role of DTTO fibres as artificial gap junctions. These findings contribute to the broader understanding of self-assembling materials in biological environments and their potential for future applications.

L'autoassemblaggio è un processo fondamentale attraverso il quale le molecole si organizzano spontaneamente in strutture ordinate, guidate da interazioni non covalenti. Questo meccanismo è essenziale sia nei sistemi naturali che in quelli sintetici, permettendo la formazione di materiali funzionali con proprietà uniche. Negli ambienti biologici, l’autoassemblaggio svolge un ruolo cruciale nell’organizzazione cellulare, e sfruttare questo processo può portare a innovative applicazioni in ambito bioelettronico. Questa tesi esplora l’autoassemblaggio delle molecole di DTTO in fibre all’interno di cellule viventi, concentrandosi sulla loro formazione, composizione, cristallizzazione e proprietà fisiche. Una combinazione di tecniche spettroscopiche e strutturali ha confermato che queste fibre sono composte unicamente da DTTO e presentano una struttura molecolare cristallina ben ordinata. La loro cristallizzazione è stata studiata in dettaglio, rivelando un processo guidato dall’accumulo molecolare in vescicole intracellulari, seguito da nucleazione ed elongazione delle fibre. Una volta formate, le fibre crescono inizialmente all’interno delle singole cellule per poi estendersi verso le cellule adiacenti, propagandosi nell’ambiente cellulare. Sono state inoltre indagate le proprietà conduttive delle fibre di DTTO, dimostrando la loro capacità di ripristinare la comunicazione intercellulare in cellule HEK-293T quando le giunzioni comunicanti naturali sono state bloccate farmacologicamente. Misure di patch-clamp hanno mostrato come i segnali di depolarizzazione si propaghino da una cellula all’altra, supportando il ruolo delle fibre di DTTO come giunzioni comunicanti artificiali. Questi risultati contribuiscono alla comprensione più ampia dei materiali autoassemblanti in ambienti biologici e del loro potenziale per applicazioni future.