L’exhibit “The Red Hot Pepper Machine 2.0” (TRHPM2.0), realizzato con la sponsorizzazione tecnica di “Città della Scienza” - Napoli, Futura Group Srl e Totem Technology (Lituania), mostra il funzionamento del TRPV1, appartenente all’importante classe TRP di recettori-canale cellulari. TRPV1 ha grande rilevanza biomedica perché è coinvolto nel processo di nocicezione, ma è meglio noto al grande pubblico come “recettore del peperoncino”, responsabile della percezione della piccantezza, essendo attivato dalla capsaicina, principio attivo del peperoncino piccante.

TRHPM2.0 consente anche un efficace parallelo tra biologia e cibernetica, rappresentando il prototipo di una tipologia originale di applicazione della robotica, della meccanica e dell’informatica sia a scopo didattico che per applicazioni in ambito museale.

Storia

TRHPM2.0 rappresenta l’evoluzione dell’exhibit “The Red Hot Pepper Machine” (TRHPM), sviluppato nel 2016. Inizialmente concepito per aiutare ad “animare” le presentazioni di TRPV1 da parte dei ricercatori ICB-CNR, TRHPM avrebbe dovuto includere la sola parte “centrale” (membrana + recettore), per la quale era prevista l’inserimento manuale delle palline rappresentanti ioni Ca²⁺ e capsaicina. Ma già durante la fase avanzata di progettazione e la realizzazione del prototipo del meccanismo centrale di attivazione, era giunto l’invito a contribuire alla “reazione a catena” prevista per celebrare il trentennale di “Futuro Remoto”. L’adattamento, richiedendo la riprogettazione del dispositivo su scala e con proporzioni tali da essere ospitato da un tavolo 120x75cm, nonché la progettazione ex-novo di un meccanismo per automatizzare l’inserimento delle palline nell’ordine opportuno in seguito ad un input meccanico ad un’estremità del tavolo (caduta di un “mattone”) e di un meccanismo per generare un output meccanico simile all’input all’estremità opposta del tavolo, ha dato origine ad un exhibit semiautomatizzato, le cui successive evoluzioni hanno portato ad un prodotto dimostrabile sia in manifestazioni temporanee che in un contesto museale. Infatti, oltre ai numerosi impieghi di TRHPM in attività didattiche o in mostre e festival nazionali, l’exhibit è stato ospitato per oltre un anno nel museo “Corporea” di Città della Scienza – Napoli (per la storia completa e il dettaglio delle evoluzioni subite da TRHPM si veda la sezione apposita del sito).

Sebbene TRHPM abbia riscosso e riscuota tuttora successo in tutti i contesti in cui è stato impiegato e si dimostri sempre uno strumento efficacissimo di comunicazione e disseminazione dei contenuti ad esso associati, presenta un limite insuperabile, insito nella sua progettazione: richiede la ricarica manuale delle palline, necessitando così di un operatore fisso e opportunamente addestrato. Ciò naturalmente non rappresenta un problema nelle manifestazioni in cui siano presenti i ricercatori e tecnici che lo hanno realizzato o quando sia possibile istruire opportunamente uno o più dimostratori, ma per un uso autonomo nell’ambito di una mostra, o, ancor di più, per un impiego continuativo in ambito museale, costituisce un problema che ne limita molto le possibili applicazioni.

Pertanto, durante la preparazione della mostra EXPO 4.0 a Città della Scienza – Napoli nel 2019 era stata pianificata una sua ulteriore evoluzione.

Poiché, però, le profonde modifiche richieste avrebbero comportato lo smontaggio di parti fondamentali dell’exhibit (in particolare, il sito di binding del ligando e il meccanismo di distribuzione delle palline), con il rischio di ritrovarsi con un exhibit non funzionante, diversamente dalle evoluzioni precedenti, è stata decisa la realizzazione di una versione completamente nuova che affiancasse quella esistente, comunque ancora valida per dimostrazioni eseguite da personale esperto o appositamente addestrato.

La nuova versione di fatto conserva la maggior parte del nucleo centrale, ma rende l'exhibit del tutto autonomo sia per la ricarica, che per la parte esplicativa/didattica e ne consente l’installazione e l’uso dietro schermo o in teca protettiva.

Sebbene la nuova versione dovesse debuttare alla mostra EXPO 4.0, ritardi nella consegna dei materiali e poi il COVID19 ne avevano congelato lo sviluppo, malgrado questo avesse già raggiunto una fase molto avanzata.

L’invito a partecipare alla XVI edizione del convegno “Malattia Dolore e Rete Territoriale”, previsto il 22 gennaio 2022 all’Ospedale Niguarda di Milano, ha impresso una nuova accelerazione al completamento, che è stato raggiunto in tempo per l’evento, nell’ambito del quale TRHPM2.0 è stato presentato e dimostrato con notevole successo di pubblico.

La tecnica

L’exhibit è formato da cinque sezioni visibili:

1. una sagoma di un busto umano dotato di illuminazione a LED per simulare varie risposte dell’organismo. Alla sua base: due dischi illuminabili con le immagini di un peperone dolce (a sinistra) e uno piccante (a destra), e una zona di attivazione (al centro) con un’icona di una mano, che permette di avviare la dimostrazione dell’exhibit, o di cambiare il linguaggio delle slide esplicative, semplicemente avvicinando la mano al momento opportuno;

2. un modello motorizzato del recettore, inclusivo di un pezzo di membrana cellulare in cui è inserito, che con il suo sistema di snodi riproduce il meccanismo di attivazione suggerito dalle strutture sperimentali del recettore;

3. un doppio sistema a nastro trasportatore motorizzato di distribuzione di palline, per simulare i possibili ligandi del recettore e gli ioni Ca²⁺;

4. un nastro di LED multicolori che rappresenta gli impulsi che dalla cellula sensoriale raggiungono il cervello, rappresentato alla fine del nastro, da un’apposita silhouette illuminabile e replicato da un LED opportunamente posizionato in alto nella sagoma 1;

5. un monitor TV (o un proiettore) sul quale vengono riprodotte, in sincrono con le fasi operative dell’exhibit e nella lingua selezionata durante l’attivazione, slide che illustrano il sistema biologico e la sua traduzione nel modello, nonché le molecole con cui TRPV1 può interagire e le implicazioni fisiologiche e farmacologiche della regolazione del recettore.

Il sistema è comandato da un minicomputer Raspberry Pi 3B (RPi) su cui gira il programma principale, collegato al sensore capacitivo che costituisce la superficie di attivazione, ai LED descritti sopra e di seguito, a un monitor TV e a una scheda Arduino Uno (AU), che a sua volta controlla alcuni dei dispositivi utilizzati. All’interno di un modello di membrana cellulare realizzato in plexiglas, forex e con il sistema di costruzioni a tessere Plus-Plus per modellare le teste dei fosfolipidi e del colesterolo, è presente un modello del recettore TRPV1 costituito da 4 unità identiche ruotabili, realizzate con il sistema di costruzione Engino. Un doppio sistema di nastri trasportatori, realizzati col sistema di costruzione e con motori Lego Technic, comandati attraverso relè e controllati da sensori di prossimità collegati ad AU, solleva in un caso (NT1) sfere più grandi, colorate di giallo o rosso, corrispondenti rispettivamente alle molecole di capsiato (principio del peperone non piccante) e capsaicina, nell’altro (NT2) una serie di palline da calcetto, che rappresentano gli ioni calcio, il cui ingresso nella cellula controllato da TRPV1 promuove la risposta cellulare e la successiva trasmissione di impulsi al cervello. Un nastro di LED al di sotto del recettore e terminante in una sagoma del cervello umano è comandato dal RPi in modo sincrono con le fasi operative dell’exhibit e altri LED, situati in corrispondenza del cervello, delle gote e della cavità orale della sagoma illustrano ulteriormente le diverse fasi, evidenziando le risposte fisiologiche dell’organismo all’attivazione di TRPV1, mentre i due LED alla base indicano, insieme al colore delle sfere grandi, il ligando che in quel modello è presente nel sito di regolazione del recettore.

 Funzionamento

Avvicinando la mano al sensore di attivazione, situato al centro della base della sagoma nella parte frontale destra dell’exhibit, parte la presentazione sul monitor, che consente, riavvicinando la mano entro 5 secondi, di commutare la lingua della presentazione (attualmente la scelta è tra italiano e inglese). Inizialmente, sono illustrate le principali caratteristiche del recettore e della sua attivazione, nonché la struttura generale del modello.

Nel frattempo, “treni” di impulsi LED di colori pastello viaggiano tra la cellula e il cervello, mostrando come quest’ultimo sia raggiunto da informazioni su stimoli diversi da quelli che attivano TRPV1.

Successivamente, con l’illuminazione dell’apposito LED nella parte sinistra della base della sagoma, e la presentazione della slide relativa, parte la simulazione dell’interazione tra TRPV1 e il capsiato, molecola molto simile alla capsaicina, che però non riesce a produrre un’attivazione rilevante del recettore.

Pertanto, la caduta da NT1 della sfera gialla nel sito laterale di riconoscimento dei possibili attivatori non causa l’apertura del canale di TRPV1: una pallina da calcetto lasciata cadere da NT2 nel canale centrale non riesce ad attraversarlo. Un servomotore (S1) si occupa dello svuotamento del sito di attivazione, con ritorno della palla gialla a NT1, mediante uno scivolo realizzato con sistema di costruzioni Totem.

Dopo lo spegnimento del LED a sinistra della base, si accende quello a destra, in sincrono con la slide che illustra come ora si osserverà l’effetto della capsaicina, principio attivo del peperoncino piccante. Un nuovo azionamento di NT2 porta alla caduta della palla rossa nel sito di riconoscimento, che stavolta, mediante il servomotore S2, determina l’apertura del canale e la caduta della pallina già presente alla sua imboccatura.

Successive attivazioni di NT2 provocano la caduta libera delle palline nel canale. Un sistema di caduta smorzata, raccolta e scivolo realizzato con le costruzioni Totem riporta le palline a NT2.

Nel frattempo, i “treni” di LED cominciano a colorarsi di rosso acceso, in misura crescente all’aumentare del numero di “ioni” entrato nella cellula e, progressivamente, dopo che il segnale raggiunge il cervello, la comparsa degli effetti fisiologici della capsaicina (calore, bruciore, sudorazione, secrezione nasale aumentata) è indicata dalla graduale accensione dei LED posti in corrispondenza della cavità orale e delle gote.

Alla fine del ciclo, il sistema simula la desensibilizzazione del recettore da un lato con il blocco dei treni di impulsi sul rosso fisso, dall’altro chiudendo il canale (ad opera di S2).

A questo punto, dopo lo smorzamento delle luci della sagoma, sono mostrate le slide finali con le informazioni di interesse fisiologico/farmacologico.

Il sito di riconoscimento è poi svuotato da S1, ripristinando la configurazione di slide, LED, recettore e palline iniziale.

Impatto

L’exhibit si è dimostrato efficace nel catturare l’attenzione di un pubblico eterogeneo per età e competenze, rendendo chiari e fruibili argomenti, come i recettori cellulari, la loro regolazione e relative implicazioni biologiche, ecologiche, farmacologiche e mediche, altrimenti difficili da spiegare con il supporto di strumenti tradizionali. Un altro aspetto di successo è la percezione dell’exhibit come applicazione originale della robotica, della meccanica e dell’informatica sia a scopo didattico che per applicazioni museali. La valenza didattica riguarda anche la struttura dell’exhibit, per l’uso sia di componentistica (minicomputer Raspberry Pi 3B, scheda Arduino Uno, relè, motori/servomotori, luci LED, sensori di prossimità industriali o autocostruiti, sistemi di costruzione Lego Technic, Engino, Totem, Plus-Plus), sia di linguaggi e strumenti di programmazione (Python e Arduino IDE) largamente impiegati in ambienti STEM.