Le macchine molecolari e il Nobel per la Chimica 2016

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Fino a ieri le macchine molecolari erano note solo ad un ristretto pubblico di chimici impegnati o nello studio dei processi biochimici alla base del metabolismo o nella sintesi di nuove molecole da utilizzare nel campo delle nanotecnologie. Insomma era roba per pochi eletti, di nerds della conoscenza o topi da laboratorio, se proprio vogliamo dirla in un modo più prosaico. Ed, invece, la commissione che assegna i premi Nobel ha deciso di premiare tre scienziati, Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa “for the design and synthesis of molecular machines“, da anni impegnati nella progettazione e nella sintesi di questi sistemi complessi tanto che ora il termine “macchine molecolari” viaggia di bocca in bocca e presto diventerà patrimonio comune come il termine “plastica” che è associato, sebbene non proprio correttamente, al nome di Giulio Natta, premio Nobel, assieme a Karl Ziegler, nel 1963 per le sue scoperte nell’ambito della chimica dei polimeri.

I vincitori del premio Nobel per la chimica 2016 (fonte https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/)
Ma cosa sono le macchine molecolari?
Tutti sappiamo cosa sia una macchina. Basta aprire un qualsiasi dizionario per trovare che una macchina è uno “strumento, apparato, congegno costituito da un numero variabile di parti collegate fra loro in rapporto cinematico, che serve per la trasformazione o per la trasmissione dell’energia o per il compimento di determinate operazioni” (da: http://dizionario.internazionale.it/…). In altre parole, si tratta di un sistema più o meno complesso composto da tante parti assemblate assieme in modo tale che il loro movimento relativo sia in grado di trasmettere energia o di compiere un lavoro.

Locomotiva a vapore, tipica macchina fatta di parti assemblate assieme, in grado di muoversi e capaci di compiere un lavoro (fonte https://www.flickr.com/photos/powerhouse_museum/sets/72157607071380541/)
In natura esistono tantissimi sistemi che possono essere assimilati a delle macchine. Una di queste è, per esempio, l’emoglobina, una proteina allosterica formata da quattro subunità – ovvero da quattro diverse componenti assemblate nel modo opportuno, che è in grado di trasportare l’ossigeno all’interno delle cellule e l’anidride carbonica fuori da esse (il funzionamento della molecola ed il significato di allosterismo sono già stati evidenziati in un mio articolo sul blog: http://www.laputa.it/blog/elogio-de…). La capacità che ha l’emoglobina di modulare la sua azione attraverso il movimento delle sue subunità la rende una vera e propria macchina in miniatura, ovvero una nanomacchina o macchina molecolare, il cui scopo è quello di consentire l’ossigenazione delle cellule al fine di assicurare il corretto funzionamento del nostro metabolismo.

L’emoglobina – tipica macchina molecolare la cui azione è modulata dalla sua capacità di movimento (fonte http://www.pianetachimica.it/mol_mese/mol_mese_2003/05_Emoglobina/emoglobina_1_ita.html)
Ma l’emoglobina non è la sola macchina molecolare presente negli esseri viventi.
Cosa dire, per esempio, degli enzimi che prendono il nome di DNA polimerasi e che sono coinvolti nella replicazione del DNA? Le DNA polimerasi sono delle molecole complesse che, in modo molto semplicistico, funzionano “scivolando” lungo i filamenti di DNA. Man mano che gli enzimi procedono, i due filamenti di DNA, avvolti a formare la famosa doppia elica descritta per la prima volta da Watson e Crick su Nature (http://www.nature.com/nature/dna50/…), si separano come se fossero le due parti di una cerniera che si aprono per effetto del passaggio del cursore metallico. Via via che le DNA polimerasi incontrano un “dente” della catena, esse “prelevano” dall’ambiente circostante la molecola adatta da “incastrare” sul “dente” stesso in modo tale da sintetizzare un filamento (ovvero una catena) di DNA che sia esattamente complementare a quella lungo cui stanno scivolando.

Schema della replicazione del DNA (fonte: http://www.chimica.unipd.it/fabrizio.mancin/pubblica/Suprachem/macchine%20molecolari.pdf)
Vogliamo parlare, poi, dell’ATP-asi, l’enzima coinvolto nella sintesi dell’ATP? Si tratta di un complesso molecolare che funziona come una vera e propria turbina per convertire l’energia associata ad un gradiente protonico (cioè la differente concentrazione di ioni H+ tra i due lati di una membrana cellulare) in energia chimica contenuta nei legami della molecola di ATP. L’enzima è fatto da tre parti. Una parte dell’enzima, “chiusa” all’interno della parete cellulare, è indicata come F0; questa è legata ad una estremità di una sorta di “albero a camme” la cui altra estremità è connessa ad una “lingua” che viene, generalmente, indicata come F1. I protoni presenti da un lato della membrana (quello dove essi sono in concentrazione più elevata) si incanalano in F0 attivandone un movimento meccanico di tipo rotatorio. Il movimento rotatorio viene trasmesso ad F1 attraverso l’albero a camme. Si verificano, quindi, due condizioni. Da una parte, il movimento rotatorio consente di “pompare” i protoni da un lato all’altro della parete cellulare. Dall’altra, la trasmissione del moto da F0 a F1 consente a quest’ultima subunità di “aprirsi” e “catturare” gli “ingredienti” necessari per la sintesi dell’ATP. Una volta catturati gli ingredienti, F1 si chiude impedendone l’allontanamento e promuovendo la formazione di ATP. Dopo la sintesi di ATP, la subunità F1 si apre e consente alla molecola appena formata di fuoriuscire (qui si trova un bellissimo filmato sul funzionamento dell’ATP-asi: https://www.youtube.com/watch?v=Pjd…).

Struttura e schema di funzionamento dell’ATP-asi (fonte: http://www.chimica-online.it/biologia/sintesi-atp.htm)
La tendenza attuale nel mondo chimico è la “biomimesi”, ovvero lo sviluppo di tecnologie chimiche in grado di produrre molecole che, in qualche modo, funzionino come i sistemi presenti in natura. Io stesso, in passato, sono stato impegnato in ricerche di questo tipo quando studiavo catalizzatori biomimetici per il recupero ambientale (http://www.suprahumic.unina.it/home…).
E’ proprio guardando al funzionamento delle macchine molecolari presenti nel metabolismo degli esseri viventi che è nata l’idea di usare aggregati di molecole (ovvero supramolecole) per “compiere” lavoro mirato a livello molecolare come trasmissione di energia o movimento. I primi prototipi di macchine molecolari sintetiche furono i rotassani e i catenani in cui il movimento meccanico era limitato ad uno “scivolamento” di due subunità l’una dentro l’altra.

Prototipi di macchine molecolari (fonte: http://www.ordinechimicicalabria.it/portale2016/congresso/contributi%20scientifici/T03%20CREDI.pdf)
Altro simpatico esempio di macchina molecolare è quello che è stato definito “ascensore molecolare” il cui futuro sembra essere quello di “veicolare”, attraverso meccanismi di “cattura/rilascio”, molecole aventi particolari caratteristiche chimiche (per esempio i contaminanti ambientali).

Esempio di ascensore molecolare (fonte: http://www.ordinechimicicalabria.it/portale2016/congresso/contributi%20scientifici/T03%20CREDI.pdf)
Alla luce di tutto quanto illustrato, è possibile dare una definizione di macchina molecolare (o nanomacchina) come di un aggregato molecolare (o supramolecola) in grado di compiere movimenti meccanici per trasmettere moto o trasferire energia attraverso stimoli chimico-fisici come interazione con la luce o gradienti di concentrazione.
Note conclusive
Chiedo scusa a tutti i biochimici per l’enorme superficialità che ho utilizzato per la descrizione dei meccanismi biochimici. Essi sono tutt’altro che così semplici, tuttavia ho cercato di semplificare al massimo il funzionamento delle macchine molecolari di tipo metabolico per un pubblico non troppo esperto. Spero di essere riuscito nell’intento.
Per approfondire:
  1. http://prometeo.sif.it/papers/onlin…
  2. http://www1.unipa.it/flor/materiale…
  3. http://www.ordinechimicicalabria.it/…
  4. http://www.itscienzachimica.altervista.org/…
  5. http://www.chimica-online.it/biolog…
  6. http://www.scienzagiovane.unibo.it/…
Fonti delle immagini:
  1. L’immagine di copertina è presa da: http://www.steinbeck-molecular.de/s…
  2. L’immagine dei laureati Nobel per la chimica 2016 è presa da: https://www.nobelprize.org/nobel_pr…
  3. La locomotiva a vapore è presa da: https://www.flickr.com/photos/powerhouse_museum/sets/72157607071380541/
  4. L’immagine dell’emoglobina è presa da: http://www.pianetachimica.it/mol_me…
  5. Lo schema della replicazione del DNA è preso da: http://www.chimica.unipd.it/fabrizi…
  6. Lo schema dell’ATP-asi è preso da: http://www.chimica-online.it/biolog…
  7. Lo schema dei rotassani, dei catenani e dell’ascensore molecolare è preso da: http://www.ordinechimicicalabria.it/…

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