Urto efficace

Sapete cosa la mia mano sta cercando di fare in questa foto? Si sta adoperando per pescare un cristallo. Già, perché durante l’EIROforum Teachers School ci hanno mostrato, passo dopo passo, come si ricava la struttura tridimensionale dal cristallo di una macromolecola biologica. Pur conoscendo la teoria degli spettri di diffrazione da raggi X, non avevo mai provato l’emozione di vedere al microscopio un cristallo singolo cercando di catturarlo con un piccolissimo cappio ovviamente, come il cristallo, invisibile a occhio nudo. Ma andiamo con ordine. Un simpatico ricercatore in chimica tedesco ci ha dapprima spiegato la composizione della complessa strumentazione per l’analisi ai raggi X dell’ESRF, nella quale lo spazio destinato al campione è minimo, trattandosi di un minuscolo “ago” alla sommità del quale è deposto il cristallo da analizzare (nella prima foto il ricercatore lo indica a noi insegnanti dallo schermo della telecamera presente nella sala elaborazione dati, in quella a lato il portacampione è ripreso da vicino).

Molto difficile è senza dubbio l’ottenimento del cristallo, impresa il cui esito non è scontato, soprattutto quando si tratta di macromolecole biologiche come le proteine. La difficoltà sta anche nel fatto che sono necessarie manualità ed esperienza, oltre che  una approfondita conoscenza dei metodi di cristallizzazione. Insomma, è più arte che scienza. Dopo aver ottenuto i cristalli, spesso dopo parecchi giorni di lavoro, comincia un’altra sfida: quella di catturarli! Con l’aiuto di un microscopio e di un minuscolo cappio (la cui immagine  nel piccolo riquadro in basso è stata ingrandita al computer molte volte) si pesca un cristallo tra tanti da sottoporre ai raggi X.

 

I cristalli sono immersi in un particolare liquido; dopo averne pescato uno lo si pone a lato, nella goccia di un secondo tipo di liquido senza altre specie cristalline. La conferma dell’avvenuta operazione si ha quando, guardando la seconda goccia al microscopio, si vede chiaramente il singolo cristallo trasferito. Avevo un leggero tremore alle mani, e mi ci è voluto molto tempo prima di usare la mia canna da pesca con una certa disinvoltura; purtroppo la mia imperizia ha distrutto due innocenti cristalli … L’esercizio, inizialmente divertente, è diventato un pò snervante. Nell’immaginario comune questo aspetto del lavoro del ricercatore non è abbastanza conosciuto: pochi sanno quanta pazienza occorre nel fare alcune operazioni che devono necessariamente eseguite manualmente. Ad ogni modo, noi insegnanti abbiamo preso il meglio: dopo gli estenuanti esercizi di pesca ci è stata subito mostrata una immagine di diffrazione del campione in oggetto:

L’esposizione ai raggi X produce uno spettro di diffrazione, una sorta di mappa poi interpretata con particolari software che indicano la diversa distribuzione dei legami in una molecola.

Alcuni spettri di diffrazione sono diventati quasi celebri nell’ambiente scientifico. Osservate questo:

Si tratta dello schema di diffrazione di un solido appartenente alla categoria dei quasicristalli, per la scoperta dei quali Dan Shechtman ha ricevuto quest’anno il premio Nobel per la chimica. Un quasicristallo è una particolare forma di solido nel quale gli atomi sono disposti in una struttura ordinata ma non ripetitiva, cioè non periodica come avviene invece nei normali cristalli. Non pochi premi Nobel sono stati conferiti in seguito a studi di cristallografia. Anche l’anno scorso il premio Nobel per la chimica è stato assegnato a tre scienziati che hanno chiarito importanti aspetti della biologia molecolare tramite spettri diffrattometrici di ribosomi ottenuti con raggi X. Il risultato finale dei cristallografi consiste nel ricavare la struttura tridimensionale di una molecola, essenziale per comprendere appieno la sua funzione. Queste strutture sono poi inserite in database a disposizione di tutti, anche dei non scienziati. Noi insegnanti potremmo usare queste banche dati e spendere due parole sul come si procede per ottenere strutture molecolari così dettagliate, le cui immagini animate sono sempre una delizia per gli occhi, non solo degli studenti (in basso un modello animato di ribosoma).

Per approfondire:

Risorse per studenti e insegnanti all’interno del Protein Data Bank.

Interessante e ricco articolo didattico sui cristalli biologici di Dominique Cornuéjols dello staff dell’ESRF, nel quale le foto di questo articolo sono state scattate.

Articolo di Le Scienze sui quasicristalli.

Articolo di Linx Magazine sui cristalli ribosomiali.

 

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