Bolle di sapone e membrane cellulari
Una delle presentazioni più interessanti dell’EIROforum Teachers School è stata a mio parere quella della dott.ssa Giovanna Fragneto, senior scientist presso l’ILL. Le ricerche della dott.ssa Fragneto sono volte a capire la composizione e il comportamento delle membrane cellulari attraverso l’interazione con i neutroni. Con un paragone suggestivo ma scientificamente valido, questa ricercatrice ha paragonato le membrane delle cellule alle bolle di sapone; infatti sia le prime che le seconde sono costituite da molecole anfifiliche capaci di assemblarsi in uno strato di pochi nanometri la cui struttura può essere determinata da tecniche di scattering.
Cos’è una sostanza anfifilica?
Solitamente le sostanze sono idrofile o idrofobe a seconda della loro maggiore o minore affinità con l’acqua, caratteristica determinata dalla presenza o meno di gruppi polari nelle molecole. Le sostanze anfifiliche possiedono entrambe le caratteristiche in quanto sono dotate di una testa polare (quindi idrofila) tramite la quale si realizza il contatto con l’acqua, e di una coda apolare (quindi idrofoba) che si dispone in modo da evitare le molecole del solvente acquoso. I saponi (e in genere i detersivi o surfattanti) sono caratterizzati da strutture anfiliche, grazie alle quali riescono a rimuovere le macchie di grasso. Se infatti aggiungiamo una soluzione acquosa di detergente a del grasso, le molecole di questo si legheranno alle code idrofobe del detergente, le cui teste idrofile si volgeranno verso l’acqua. In questo modo le particelle di grasso si troveranno cirondate dalle strutture anfifiliche, che così riescono ad asportarle sospendendole in acqua e allontanandole dalla superficie iniziale all’interno delle cosiddette micelle.
Le sostanze anfifiliche ci permettono di respirare!
È noto che le soluzioni saponose formano schiuma nelle cui bolle le sostanze anfifiliche si dispongono con le code rivolte verso l’aria e le teste rivolte verso l’acqua.
Nell’immagine sottostante, la parte destra rappresenta la disposizione delle molecole anfifiliche con le teste rivolte verso l’esterno nel solvente acquoso, la parte sinistra rappresenta le stesse con le teste polari a contatto con l’acqua mentre le code sono rivolte verso l’aria, come nel caso delle bolle di sapone .
Questo determina anche la caratteristica forma ripiegata delle bolle, tra le cui molecole e lo strato interno di liquido esistono particolari forze attrattive all’origine della tensione superficiale. L’acqua pura ha una tensione superficiale di 72 
mN/m. Nei polmoni questa tensione superficiale è di circa 25 mN/m; alla fine dell’espirazione particolari molecole surfattanti lipidiche (in minor misura proteiche) diminuiscono la tensione superficiale fino a valori prossimi allo zero. Questi surfattanti permettono ai polmoni di insufflare aria molto più facilmente quasi eliminando, in pratica, il lavoro connesso alla respirazione: essi minimizzano infatti la differenza di pressione necessaria per inspirare ed espirare. In questo modo i surfattanti impediscono il collasso degli alveoli più piccoli e l’eccessiva espansione di quelli più grandi, diminuendo la tensione superficiale all’interno degli alveoli con raggio minore (e impedendo così il loro collasso durante l’espirazione). Le sindromi respiratorie dei neonati prematuri sono dovute alla carenza di questi surfattanti polmonari.
I lipidi e le cellule
I lipidi sono molecole anfifiliche necessarie alle membrane cellulari. Senza membrana una cellula non avrebbe una sua identità , e le molecole richieste per il suo funzionamento diffonderebbero nell’ambiente circostante. Lo strato idrofobico dei lipidi forma una barriera che protegge la cellula, mentre la presenza delle teste idrofile permette scambi selettivi tra il citoplasma e il liquido extracellulare; lo studio della struttura di questo doppio strato permette di capire a fondo il funzionamento delle membrane cellulari, utile per comprendere tutte le numerose malattie che la loro alterazione comporta (Parkinson, diabete, Alzheimer, schizofrenia, cancro, cardiopatie ecc…). Inoltre la comprensione delle proprietà chimico-fisiche delle membrane è essenziale per una buona riuscita del trasporto del farmaco attraverso di esse. Anche l’interazione dei lipidi con le proteine è un campo tutto da esplorare.
Perchè lo scattering di neutroni?
Lo scattering dei neutroni è una tecnica particolarmente efficace per vedere non solo le strutture biologiche al livello molecolare, ma anche la dinamica di queste strutture. Esperimenti recenti su diverse proteine, membrane e cellule in vivo e in vitro hanno dimostrato che i movimenti di queste strutture sono strettamente correlati all’attività biologica. Una qualsiasi struttura biologica molecolare è costituita da interazioni di natura chimica che ne determinano l’architettura tridimensionale specifica per la particolare funzione all’interno di un organismo. Lo scattering neutronico è inoltre una tecnica non distruttiva, oltre ad offrire la possibilità di etichettare il sistema da osservare tramite isotopi e di indagare strutture di vari ordini di grandezza – dall’angostrom al micrometro – permettendo di cogliere movimenti su un intervallo molto ampio di scala temporale. A seconda della costituzione e dello spessore
delle membrane, esse possono causare riflessione o rifrazione proprio come la luce incidente sul sottile strato di una bolla di sapone . I giochi di colori sulle bolle sono correlati allo spessore del film esposto alla luce proprio come lo scattering di neutroni fornisce indicazioni sulla densità e la composizione del doppio strato lipidico presente nella membrana cellulare. La sensibilità agli isotopi può essere sfruttata per evidenziare componenti come il colesterolo nella matrice lipidica; questo può essere realizzato sostituendo all’idrogeno il deuterio, che a differenza dell’idrogeno possiede un neutrone nel nucleo. Una molecola deuterata interagisce diversamente con i neutroni rispetto ad una non deuterata. Infatti il deuterio produce uno scattering del neutrone circa 40 volte più debole di quello dell’idrogeno; usandolo, si possono rendere “invisibili” alcune molecole, osservando solo quelle che contengono idrogeno:
Ad esempio si possono effettuare misure su cellule in acqua pesante, in modo da rendere evidente cosa accade nel liquido intracellulare non deuterato e monitorando i passaggi di alcune molecole attraverso le membrane.
In conclusione
Facile intuire come gli studi di scattering con sorgenti di neutroni possano essere utili per studiare non solo sistemi complessi come le cellule, ma anche per offrire a chi lavora nell’industria la possibilità di migliorare le caratteristiche dei comuni detergenti. Si tratta quindi di un campo di studio dalle applicazioni estremamente versatili, dalla diagnosi precoce e cura di un ampio range di disfunzioni alla sintesi di detergenti più efficaci e rispettosi dell’ambiente.
Le immagini sono state tratte dalla presentazione della dott.ssa Fragneto.
Per approfondire
Uno studio sull’ambiente intracellulare con scattering di neutroni, articolo pubblicato sul magazine di didattica delle scienze Science in School nel quale Giuseppe Zaccai (Institut Laue Langevin, Grenoble) spiega come ha scoperto, con i suoi collaboratori, un modo di esplorare le dinamiche all’interno delle cellule usandolo scattering dei neutroni e la marcatura isotopica.
Neutron diffraction, voce di Wikipedia (in inglese) sullo scattering elastico di neutroni (una ulteriore voce è dedicata allo scattering anelastico). Si descrivono principi e strumentazione, mentre nella voce italiana si forniscono solo le definizioni generali.
