Urto efficace

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.

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Quando ho spedito curriculum e lettera di motivazione non ci contavo molto. Invece mi sbagliavo! Sono stata selezionata tra i trenta insegnanti provenienti da tutta Europa per seguire l’EIROforum Teachers School 2011 nell’area di ricerca di Grenoble, che i francesi chiamano “poligone scientifique” per indicare la presenza di più enti: ILL, ESRF, EMBL. Noi insegnanti abbiamo avuto l’opportunità di parlare faccia a faccia con ricercatori che lavorano in settori di punta e di seguire vari tutorial utili per l’attività in classe.

Esperienze come questa lasciano sempre un segno, non solo dal punto di vista delle ricadute professionali: queste si intrecciano inevitabilmente con le relazioni umane che si instaurano seppure nell’arco di pochi giorni, relazioni spesso foriere di fruttuosi rapporti di collaborazione. Non essendo nuova a questo tipo di esperienze so bene che è talvolta più facile avviare un progetto con colleghi che vivono all’estero piuttosto che con quelli del proprio istituto! È paradossale, ma è così: molti colleghi stranieri con cui ho trascorso questi ultimi giorni me lo hanno confermato… (la foto mi ritrae con una simpaticissima e attivissima insegnante di chimica rumena, Lidia Minza). Per fortuna nell’era di internet tutto è possibile, anche rinnovare la didattica mettendo in contatto studenti e insegnanti di diverse nazioni, perchè l’Europa non rimanga un concetto che si concretizza solo nella moneta unica. I corsi seguiti sono stati caratterizzati da un approccio decisamente interdisciplinare: le conoscenze di fisica sono infatti necessarie per comprendere i principi e la strumentazione su cui si basano le tecniche di indagine di molecole e materiali utilizzabili nel campo delle scienze della vita, ad esempio nella ricerca farmacologica. Non a caso l’evento è stato denominato Physics and Chemistry of life. Prima di descrivere le attività nelle quali ci siamo cimentati, facciamo luce sulle sigle riportate.

ILL

L’ILL è l’Istitut Laue-Langevin, dal nome di due fisici: uno tedesco, Max von Laue, e uno francese, Paul Langevin. Il primo ricevette il premio Nobel nel 1914 per aver dimostrato la diffrazione di raggi X dai cristalli, una scoperta all’origine di tutti i numerosi metodi di analisi basati sulla diffrazione. Il secondo, un pioniere della ricerca atomica appartenente alla squadra capeggiata dai celebri coniugi Curie, era uno specialista in magnetismo, ultrasuoni e relatività; i suoi studi sono stati determinanti per la realizzazione dei primi reattori di ricerca. L’ILL, leader mondiale nel campo delle tecniche neutroniche, ha raccolto l’eredità di questi due scienziati: è infatti dotato della sorgente di neutroni più intensa al mondo, preziosissima per chimici, fisici e biologi che vogliono indagare nel cuore della materia. In basso alcune foto dell’ILL; la prima ritrae il reattore di forma circolare del modellino protetto da una teca di vetro presente nella sala ricevimenti; nella seconda è visibile, sempre nel modellino, la scia illuminata che indica il flusso dei neutroni, i cui condotti reali sono visibili nella terza foto, scattata attraverso una grata mentre volgevo le spalle al reattore nucleare durante una visita guidata.

Quando un fascio di neutroni è diretto su un campione ha il potere di esplorare l’invisibile. I neutroni si comportano sia come particelle sia come onde; le loro specifiche proprietà consentono di ottenere informazioni che raramente sono accessibili con altre tecniche. Il neutrone è infatti l’unica sonda capace di vedere allo stesso tempo sia i nuclei degli atomi che le interazioni magnetiche degli elettroni. Questo consente di progettare nuovi materiali magnetici per l’acquisizione di informazioni o nuove ceramiche superconduttrici ad alta temperatura. Inoltre, penetrando nella materia senza distruggerla, i neutroni arricchiscono la nostra conoscenza della trasformazione e degradazione dei materiali, utile per l’analisi delle tensioni residue dei binari ferroviari, per il controllo delle tensioni nelle saldature, nella radiografia delle celle a combustibile, ecc… Infine, poichè i neutroni possono riconoscere gli atomi più leggeri, essi sono informatori speciali  che osservano i movimenti più nascosti nelle sostanze complesse, con applicazioni nella comprensione del moto delle grandi molecole in stati differenti (vetro, plastica, liquidi), dell’elasticità dei polimeri, delle strutture delle membrane biologiche, del comportamento di agenti tensioattivi o delle proprietà dei solventi.

ESRF

L’acronimo ESRF  sta per European Synchrotron Radiation Facility, un laboratorio che produce intensi fasci di radiazione X destinati alle più avanzate ricerche scientifiche. La “brillanza” di questi fasci di raggi X richiama dall’industria e dal mondo accademico ricercatori riconosciuti a livello internazionale. I raggi X prodotti da questo tipo di sincrotrone sono i più potenti d’Europa, utili per indagare le strutture più disparate: molecole biologjche e polimeri biocompatibili, nanostrutture e tesori archeologici. La radiazione X viene emessa da elettroni di altissima energia che circolano dentro la “ciambella” di un acceleratore chiamato “anello di accumulazione” (a lato e in basso alcune foto dei modellini presenti nella sala d’ingresso dell’ESRF ed altre scattate all’interno del sincrotrone; il secondo modellino mostra una delle stazioni sperimentali in miniatura, dove si può osservare in sequenza la strumentazione di analisi del campione nella quale è convogliato il fascio di luce e la sala di elaborazione dati). La radiazione X interagisce con la materia in modi differenti: possono penetrarla profondamente (questo è all’origine delle applicazioni mediche) o decifrare a livello atomico la struttura tridimensionale dei cristalli attraverso una tecnica chiamata cristallografia. Per decine di anni i ricercatori hanno usato sorgenti di raggi X tradizionali, i cosiddetti “tubi” a raggi X. I fasci di raggi X prodotti in un sincrotrone sono molto più intensi di quelli emessi da un tubo ed inoltre sono collimati come un fascio laser, permettendo ai ricercatori di raccogliere dati molto più rapidamente ed avere nuove opportunità di indagine, ben al di là di quello che i cristallografi sognavano all’inizio dell’era dei sincrotroni, quarant’anni fa. Tra le strutture più studiate con i raggi X prodotti dal sincrotrone ci sono senza dubbio quelle alla base della vita: proteine, DNA, RNA, ribosomi, nucleosomi e virus, la cui comprensione ha comportato una vera e propria rivoluzione nella biologia strutturale e nelle sue applicazioni. Le proteine, ad esempio, sono essenziali per la funzionalità e la regolazione di tutte le cellule degli organi viventi; le coperture proteiche dei virus determinano l’attacco delle cellule, causando malattie come il comune raffreddore o l’AIDS. Comprendere l’architettura dei complessi proteici può portare a nuove ed efficaci cure tramite la sintesi di farmaci ad hoc. Nelle primissime fasi dello sviluppo di un farmaco, quando è essenziale condurre lo “screening” di un ampio numero di possibili combinazioni farmaco-proteina, diventa essenziale utilizzare strumenti altamente automatizzati e veloci com quelli presenti nell’anello di luce. In questo modo è possibile fare una prima selezione dei farmaci in grado di legarsi selettivamente a siti particolarmente favorevoli di grandi complessi macromolecolari (generalmente proteici).

EMBL

Il parco scientifico di Grenoble ospita anche l’EMBL, European Molecular Biology Laboratory, la cui sede principale è ad Heidelberg; altre stazioni di ricerca si trovano ad Amburgo, ad Hinxton e  a Monterotondo. Nei laboratori EMBL si conducono attività di ricerca di base sulla biologia molecolare, si forniscono servizi essenziali in questo settore a scienziati degli Stati membri e si sviluppano nuove strumentazioni per la ricerca biologica. In questo modo gli studi strutturali condotti presso l’ILL e l’ESRF di Grenoble possono essere subito usati nella ricerca biologica presso i laboratori dell’EMBL; forniti di strumentazione avanzata come il microscopio elettronico (nella foto) e di personale altamente qualificato. L’EMBL è inoltre attivissimo nell’aggiornamento degli insegnanti e nella divulgazione.

Le attività di interesse per l’attività in classe saranno approfondite nei prossimi articoli. Per approfondire:

Sito dell’EIRO Forum Teachers School 2011

Sito dell’ESRF

Sito dell’ILL

Sito dell’EMBL

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