Come far muovere le molecole
I chimici sviluppano un sistema molecolare artificiale in grado di muoversi autonomamente
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Un team dell’Università di Ulm è riuscito a sviluppare un minuscolo sistema molecolare in grado di muoversi in modo autonomo lungo un percorso prestabilito, alimentato da combustibile chimico e senza alcun controllo esterno delle singole fasi. Questo lavoro colma una lacuna nella ricerca sulle macchine molecolari artificiali. In futuro, questo principio potrebbe contribuire alla produzione di molecole difficilmente ottenibili con i metodi convenzionali. La rivista specializzata Nature Chemistry ha ora pubblicato i risultati.
In natura, in ogni cellula operano piccole macchine molecolari: le cosiddette proteine motorie, come la kinesina o la miosina, trasportano sostanze, consentono i movimenti muscolari e partecipano alla divisione cellulare. Queste proteine si muovono lungo le fibre proteiche, come se camminassero su due gambe. Sono azionate dall’energia fornita da una molecola prodotta dall’organismo stesso. Da tempo i chimici cercano di riprodurre tali movimenti con macchine molecolari artificiali. «Tutti i “corridori” finora conosciuti dovevano però essere controllati dall’esterno, ad esempio tramite l’aggiunta di sostanze chimiche, luce o un campo elettrico», spiega Max von Delius. Il professore presso l’Istituto di Chimica Organica I dell’Università di Ulm era già riuscito nel 2010, durante il suo dottorato di ricerca a Edimburgo, a far «percorrere» alle prime molecole al mondo un breve tragitto molecolare. Nello studio attuale da lui coordinato è stato ora compiuto il passo verso l’autonomia: «Il nostro corridore si muove da solo, purché gli venga fornito carburante».
Come fa il corridore a muoversi?
I ricercatori utilizzano come «corridore» un gruppo fosfato composto da un atomo di fosforo e quattro atomi di ossigeno. Questo gruppo è un importante elemento costitutivo biologico ed è coinvolto in quasi tutti i processi metabolici. Anche i due percorsi di corsa nell’allestimento sperimentale dei ricercatori di Ulm sono costituiti da sostanze naturali: il glicerolo, un componente lipidico con tre possibili siti di legame per il gruppo fosfato, e l’inositolo, un derivato dello zucchero che offre cinque siti di legame a cui agganciarsi.
«Affinché il nostro gruppo fosfato possa compiere un passo su questi percorsi, deve rompere un legame con il percorso molecolare – per così dire sollevare un piede – e formare un nuovo legame sul gradino successivo», spiega von Delius. «La sfida sta nel fatto che tali legami sono estremamente stabili. Normalmente si rompono solo molto lentamente. Secondo i calcoli, ci vogliono circa 140.000 anni perché la metà di essi si decomponga. Per il nostro patrimonio genetico questa inerzia è un bene. Ma per un corridore che deve compiere diversi passi all’ora, è un disastro.»
I ricercatori hanno trovato un modo per superare questo ostacolo in un principio di reazione noto anche nell’RNA: se il gruppo fosfato si lega a due gruppi adiacenti, ciascuno composto da un atomo di ossigeno e uno di idrogeno (gruppi OH), si forma una struttura ad anello sotto tensione, «come una balestra carica», spiega von Delius – e in questa struttura uno dei due legami si rompe nel giro di pochi minuti.
Passo dopo passo – senza uscire dai binari
Ecco come si svolge un passo del corridore: in senso figurato, il gruppo fosfato si trova inizialmente in posizione completamente rilassata, con un piede sul proprio percorso. Quando i ricercatori aggiungono un «carburante» – il carbodiimmide idrosolubile (EDC) – questo attiva il gruppo fosfato, spingendolo ad agganciarsi con un secondo piede alla posizione successiva. Si forma così il già citato legame anulare teso, in cui il gruppo fosfato rimane legato contemporaneamente a due posizioni adiacenti per un breve periodo, finché l’acqua non permette lo scioglimento di un legame. «Il “piede” posteriore si stacca, quello anteriore rimane fermo e il gruppo fosfato avanza di una posizione senza mai uscire completamente dai binari. Con il ciclo di reazione successivo segue il passo successivo», spiega von Delius.
«Il nostro studio dimostra chiaramente l’effetto del combustibile», afferma il primo autore Patrick Alexander Hoffmann dell’Istituto di Chimica Organica I. «Senza combustibile, nel corso di settimane il 90 per cento delle molecole di fosfato si accumula sul bordo esterno del binario di glicerina, nella posizione per loro più favorevole dal punto di vista energetico. Con il combustibile, invece, dopo circa due ore il 64 per cento si trova nella posizione centrale, meno stabile. Il combustibile spinge il sistema in uno stato che difficilmente raggiungerebbe da solo – in un certo senso, in salita». Sulla struttura più lunga dell’inositolo l’effetto è risultato ancora più evidente: senza combustibile, il gruppo fosfato non si è mosso affatto nemmeno dopo otto settimane. Con il combustibile, invece, si è spostato attraverso tutte e cinque le posizioni possibili – per un totale di quattro passi.
Se il combustibile viene aggiunto continuamente, questo stato si mantiene per ore. I corridori avanzano quindi costantemente – come in un motore biologico. «Abbiamo calcolato che la quantità di sostanza di una mole di corridori – circa 200 grammi – percorra complessivamente una distanza netta di circa 8,3 milioni di chilometri al secondo», afferma von Delius. «Il combustibile è straordinariamente efficiente: fino a 19 molecole di combustibile su 100 consumate portano a un passo riuscito.»
Il lavoro colma una lacuna nella ricerca
«Il sistema riunisce per la prima volta tre caratteristiche decisive: processività, autonomia e asimmetria cinetica», spiega von Delius. Ciò significa che il corridore rimane collegato al proprio percorso, si muove in modo autonomo finché c’è carburante e viene spinto fuori dalla sua distribuzione naturale di riposo dall’apporto di energia. Con questa dimostrazione, il lavoro colma una lacuna che esisteva da molti anni nel campo delle macchine molecolari. «Il ciclo di reazione sviluppato potrebbe aiutare a produrre principi attivi difficilmente accessibili, utilizzando il combustibile per portare un gruppo fosfato in una posizione di per sé sfavorevole, facendolo quindi, per così dire, “salire in salita”», spiega von Delius. A lungo termine, i ricercatori intendono inoltre muovere i propri «corridori» in modo mirato in un’unica direzione e far loro trasportare sostanze molecolari. Il lavoro è stato finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (ERC) e dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG).
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