Le proteine ​​sono le nano-macchine che la Natura utilizza per eseguire la maggior parte dei processi critici per il metabolismo cellulare. Uno degli obiettivi chiave della vita e delle scienze fisiche ruota attorno alla comprensione delle proprietà strutturali e dinamiche del nativo, transizione, intermedio, e stati denaturati delle proteine. La transizione di denaturazione - definita come la transizione delle proteine ​​dal loro specifico stato funzionale nativo allo stato inoperativo dispiegato - è di particolare interesse, in quanto sta definendo i confini di stabilità e funzionalità del diagramma di fase delle proteine.

Anche i movimenti interni su scala temporale inferiore al nanosecondo sono fondamentali per il ripiegamento delle proteine:senza queste proteine ​​non potrebbero nemmeno ripiegarsi nella loro struttura nativa. Per di più, sono estremamente sensibili alla quantità e alla natura del solvente che circonda la superficie della proteina, cioè sia l'ampiezza che la velocità di queste dinamiche possono essere notevolmente ridotte quando le proteine ​​sono incorporate in matrici di vetro di zucchero.

Sebbene la scienza sappia che queste rapide fluttuazioni guidano i cambiamenti conformazionali delle proteine, il loro ruolo per la stabilità e il dispiegamento delle proteine ​​rimane ancora sfuggente.

I risultati di un nuovo studio condotto presso l'Institut Laue-Langevin (ILL), attraverso una collaborazione tra il Laboratoire de Biochimie Théorique del CNRS (Francia), le Università di Perugia, Pisa e Verona (Italia) e il CNR (Italia), ha dato un quadro rinnovato del criterio di Lindemann. Quando si effettuano esperimenti di diffusione di neutroni elastici, i ricercatori hanno trovato un ridimensionamento comune verso un valore costante per le fluttuazioni locali di una proteina modello in ambienti diversi, quando ci si avvicina alla temperatura di svolgimento.

Utilizzando gli strumenti all'avanguardia di ILL, vale a dire lo spettrometro a retrodiffusione ad ampia gamma Q IN13, i ricercatori hanno condotto esperimenti di diffusione di neutroni incoerenti elastici sulla proteina lisozima, lisozima di albume d'uovo di pollo (CEWL) in presenza di diverse matrici deurate (D20, glicerolo, e glucosio). Ciò ha permesso loro di studiare la dinamica della scala temporale sub-nanosecondo della proteina modello in corrispondenza della transizione dispiegata.

Questa tecnica sperimentale è molto sensibile ai moti degli atomi di idrogeno, e adatto per esplorare i movimenti delle proteine ​​su una scala temporale da pico a nano. Fornisce misurazioni quantitative precise dell'ampiezza dei movimenti interni delle proteine ​​in termini di spostamenti quadratici medi dell'idrogeno (MSD).

Combinando la diffusione di neutroni incoerenti elastici e simulazioni avanzate di dinamica molecolare, hanno mostrato che, sebbene solventi diversi modifichino la temperatura di fusione delle proteine, in tutti i solventi testati si ottiene un regime dinamico unico quando è vicino allo sviluppo termico.

Questo ricorda il famoso criterio di Lindemann introdotto nel 1910, dove F.A. Lindemann ha sviluppato un criterio pratico per prevedere la temperatura di fusione dei cristalli. Per di più, l'analogia tra la fusione dei cristalli inorganici e le biomolecole native suggerisce che questi sistemi apparentemente molto diversi possono condividere il comportamento nelle corrispondenti transizioni di fase.

Il ridimensionamento comune per la proteina MSD al punto di fusione non solo fa luce sulla relazione tra flessibilità e stabilità della proteina, ma apre anche la possibilità di prevedere il dispiegamento proteico in ambienti speciali (ad esempio l'interno della cellula) seguendo termica, fluttuazioni locali.

Il criterio che propongono può essere applicato anche per studiare l'intervallo di temperatura in cui prosperano i microrganismi, ad es. a condizioni estreme di temperatura e pressione nelle profondità marine o persino nello spazio.

Questa ricerca pone potenzialmente le basi per una comprensione più profonda del ripiegamento e dello spiegamento delle proteine, che sono processi cruciali nel metabolismo delle cellule, regolazione dell'attività biologica e targeting di proteine ​​in diverse sedi cellulari.

Inoltre, comprendere le funzioni della dinamica delle proteine ​​è fondamentale per le industrie biotecnologiche e farmaceutiche, dove i principi terapeutici basati sulle proteine ​​valgono circa 30 miliardi di dollari solo nel mercato statunitense.