Per comprendere le funzioni delle proteine occorre conoscere la loro struttura tridimensionale. Ma decifrare la struttura di una proteina è un compito arduo, che richiede la cristalizzazione delle proteine mediante bombardamento di raggi X. Ci sono ancora migliaia di proteine la cui struttura rimane sconosciuta. L'alternativa è un metodo analitico che consente di determinare direttamente la struttura proteica.

Dan Rugar, manager degli studi sulla nanoscala all'Almaden Research Center dell'IBM a San Jose, California, e i suoi colleghi, stanno sviluppando una tecnica di imaging basata sulla risonanza magnetica (Magnetic Resonance Imaging - MRI). L'MRI convenzionale può arrivare fino a 3 micrometri. In un articolo pubblicato da Nature Nanotechnology, lo scorso 22 aprile, i ricercatori IBM hanno dimostrato di poter raggiungere una risoluzione di 90 nanometri, un notevole passo in avanti verso la visualizzazione di singole molecole proteiche, che misurano dai 3 ai 10 nanometri. “Per la prima volta, stiamo portando la tecnica di MRI verso la nanoscala”, ha detto Rugar. I ricercatori sperano di arrivare ad una risoluzione di meno di un nanometro, in modo da poter localizzare i singoli atomi delle proteine, e ricostruirne così la struttura.

Le tecniche di imaging magnetica sfruttano le proprietà di atomi come quelli dell'idrogeno e del fluoro i cui nuclei agiscono proprio come piccoli magneti per via della rotazione nucleare. Nell'MRI tradizionale, un forte campo magnetico spinge i nuclei dell'idrogeno ad allinearsi; poi viene applicata una radio-frequenza che fa traballare i nuclei, creando un voltaggio che viene analizzato dal computer per generare un'immagine. “Il problema”, dice Rugar, “è che il magnetismo prodotto dai nuclei è molto debole e rende difficile rilevare piccole quantità di materiale, il che limita la risoluzione spaziale”.

“La nuova tecnica”, spiega John Mamin, “membro del gruppo di ricerca IBM, può invece rilevare anche piccolissimi campioni perché misura le forze magnetiche invece di misurare il voltaggio”. Misura cioè la forza estremamente debole di attrazione e repulsione tra i nuclei e un magnete esterno.

Per la prima volta, è stata osservata direttamente, in tempo reale, la nascita, la vita e la morte di un singolo fotone (una particella di luce). In precedenza, si erano potuti osservare solo dei momenti, poiché l'atto della misurazione assorbiva e distruggeva le delicate particelle quantiche. Serge Haroche e colleghi dell'École Normale Supérieure di Parigi, sono riusciti a tracciare l'intero corso vitale di un fotone di 0,13 secondi, un tempo abbastanza lungo per consentire al fotone di compiere un decimo del percorso che separa la Terra dalla Luna.

Grazie ad una piccola cavità simile ad una scatola, dotata di muri ultra-riflettivi, specchi superconduttori, raffreddati fino a 0.5 gradi centigradi sopra lo zero assoluto (-273.15 gradi centigradi): i fotoni sono apparsi e scomparsi casualmente dalla cavità per via delle sottili fluttuazioni di energia nello spazio, un tipico effetto quantistico. Tuttavia, una volta dentro la cavità, il fotone rimane intrappolato, rimbalzando miliardi di volte tra i muri a specchio prima di decadere.

Per osservare il fotone, i ricercatori hanno fatto passare degli atomi di rubidio lungo la cavità uno alla volta. Un singolo atomo di rubidio non può assorbire un singolo fotone, perché il fotone non contiene energia sufficiente per spingere l'atomo ad un “salto quantico”. Tuttavia, il campo elettrico del fotone interagisce con il livello di energia dell'atomo, consentendo al team di effettuare una misurazione e determinare la presenza di fotoni intrappolati.

“Nessuno era mai riuscito a vedere un fotone per due volte”, ha detto Ferdinand Schmidt-Kaler della Università di Ulm in Germania, “potrebbe rappresen tare un grande passo in avanti verso i computer quantistici”. Dato che si basano sul trasferimento di qubits, ovvero bits quantici di informazione, tra diversi stati di energia. Secondo Schmidt-Kaler, un flusso di qubits atomici potrà essere pienamente controllato proprio grazie allo stato quantico del fotone intrappolato.

I ricercatori del Kavli Institute of Nanoscience della Delft University of Technology hanno messo a punto un microscopio elettronico ad alta risoluzione per osservare in tempo reale il fenomeno di trasporto collettivo di atomi di oro in uno strato di materiale sottile. Il nuovo apparecchio potrebbe aprire la strada a nuove possibilità per l'industria e per la diagnostica medica.

Un piccolo insieme di atomi di oro sono stati posti su una superficie metallica e osservati grazie a un High Resolution Electron Microscope (HREM): in una prima fase, gli atomi sembrano organizzati in due dimensioni e spostarsi come una lamina tra due strati successivi di oro, mentre in un secondo stadio la dislocazione scompare, e gli atomi sembrano scorrere come se fossero perline infilate in una collana. “È la prima volta che riusciamo ad osservare in tempo reale le modalità con cui gli atomi si organizzano nello strato sottostante”, ha detto Henny Zandbergen, che ha partecipato alla ricerca, pubblicata su Physical Review Letters. Il movimento della dislocazione è, in linea di principio, un modo conveniente per trasportare materiali da uno strato all'altro.

Quando eccitati, gli atomi si muovono si muovono troppo velocemente per essere osservati. Una nuova generazione di sorgenti a raggi-X può consentire oggi ciò che in passato era impossibile. In un articolo pubblicato su Science, “Watching Atoms Move”, il professore di Ingegneria Fisica Applicata Joel D. Brock, descrive una ricerca internazionale basata su un prototipo di una macchina a raggi-X della Stanford University. Brock è parte di un team della Cornell University che ha realizzato un Energy Recovery Linac (ERL), progettato per svolgere funzioni simili ma con pulsazioni a raggi-X più frequenti.

Il gruppo di 38 ricercatori della Stanford guidati da D.M. Fritz ha osservato l'oscillazione atomica in un cristallo di bismuto eccitato, usando il prototipo di un X-ray Free-Electron Laser (XFEL) chiamato Sub-Picosecond Photon Source (SPPS), utilizzato per osservare il movimento degli atomi. La macchina vera e propria, che ancora deve essere realizzata, sarà una Linear Coherent Light Source (LCLS). Anche il progetto ERL della Cornell, che prevede dai 300 ai 400 milioni di dollari di investimenti, è ancora ai primi stadi.

L'abilità di osservare e documentare le attività atomiche, un dominio di ricerca conosciuto come “scienza del sub-picosecondo”, promette dunque l'avvento di acceleratori lineari a raggi-X in grado di produrre 1 miliardo di pulsazioni al secondo. Oltre all'osservazione atomica, queste macchine potranno essere impiegate nella chimica e nella biologia molecolare, ad esempio per osservare meglio i virus, proprio come in un film.

Usando sottili anelli di silicio per intrappolare la luce, alcuni ricercatori hanno realizzato un dispositivo ultra-sensitivo in grado di rilevare singole biomolecole. Il nuovo metodo, descritto su Science, non richiede l'etichettatura della molecola con tags fluorescenti. Rilevare singole biomolecole è importante per monitorare i biomarcatori proteici associati con il cancro e analizzare il DNA per identificare malattie genetiche o infettive. “Il nuovo metodo potrà consentire di rilevare il cancro ai suoi primi stadi e i patogeni prima che si diffondano”, dice Kerry Vahala, professore di fisica applicata al California Institute of Technology.

Gli anelli di silicio, di circa 80 micrometri di diametro, intrappolano solo la luce con una particolare frequenza di risonanza: quando una molecola obiettivo entra nell'anello, cambia leggermente la frequenza della luce. Vahala e i suoi colleghi hanno usato comuni tecniche di fabbricazione per realizzare gli anelli: hanno prima cosparso la superficie del silicio con specifiche molecole che si legano a molecole obiettivo, come ad esempio fanno gli anticorpi con le proteine del sistema immunitario; poi hanno immerso il silicio in acqua o un siero di sangue umano contenente la proteina relativa, hanno illuminato con laser e monitorato la frequenza della luce con un rilevatore ottico. Ogni volta che una molecola proteica è “catturata” dal silicio, la frequenza cambia. “Si possono così creare diverse serie di anelli per differenti biomolecole”, dice Vahala.

Il cambiamento di frequenza è facilmente rilevabile perché gli anelli di silicio intrappolano la luce in modo molto efficace. “La luce rimane intrappolata per centinania di nanosecondi”, dice ancora Vahala. La luce circola negli anelli per circa 100.000 volte - migliaia di volte in più che nei simili dispositivi commerciali - interagendo con la proteina ad ogni passaggio. “È la prima volta che si riesce a rilevare singole biomolecole usando la luce”, dice Stephen Quake, professore di bioingegneria alla Stanford University, “è un vero e proprio tour de force che avrà tremende applicazioni”.

Data articolo: luglio 2007
Fonti: technology review, new scientist, space daily