Per la prima volta, gli scienziati hanno misurato con precisione la carica elettrica effettiva di una singola molecola in soluzione. Questa intuizione fondamentale di un professore del FNS potrebbe anche aprire la strada alla futura diagnostica medica.

La carica elettrica è una delle proprietà chiave che consente alle molecole di interagire. La vita stessa dipende da questo fenomeno:molti processi biologici implicano interazioni tra molecole come proteine, dove la loro carica gioca un ruolo essenziale. Ancora, la carica di una proteina in un ambiente acquoso - il suo contesto naturale in un organismo vivente - è difficile da determinare con precisione utilizzando approcci tradizionali.

Madhavi Krishnan, titolare di una cattedra FNS presso l'Università di Zurigo, ha sviluppato un metodo per misurare con precisione la carica di una singola molecola in soluzione. Il suo progresso è stato descritto in una serie di articoli in Nanotecnologia della natura , Revisione fisica E e il Giornale di Fisica Chimica . Questa scoperta potrebbe aprire la strada a nuovi strumenti diagnostici poiché, a livello chimico, molte malattie sono legate a uno spostamento della carica elettrica di una proteina, che impedisce alla molecola di agire come dovrebbe.

La carica elettrica di una molecola può essere molto diversa in fase gassosa e in soluzione. La ragione di questa differenza risiede nelle complesse interazioni tra l'oggetto e il liquido circostante. Quindi, le misurazioni standard in fase gassosa non forniscono direttamente informazioni sul comportamento della molecola nel suo contesto biologico.

"Come i bambini che prendono a calci un pallone"

Le molecole in soluzione sono in costante movimento, calci a caso l'un l'altro. Krishnan e Ph.D. la studentessa Francesca Ruggeri ha approfittato di questo noto fenomeno, detto moto browniano, per misurare la carica effettiva di una molecola direttamente in soluzione.

Primo, hanno intrappolato la molecola in un "pozzo potenziale". Piuttosto che un vero pozzo, questa è una situazione in cui l'energia potenziale della molecola è al minimo. In una situazione del genere, le molecole d'acqua che rimbalzano tentano continuamente di espellere la molecola dal pozzo.

"È come se i bambini giocassero con una palla in fondo a una fossa, " spiega Krishnan. "La palla è la molecola che ci interessa, ei bambini sono le molecole d'acqua. La palla dovrebbe ricevere un calcio piuttosto duro per volare fuori dalla fossa".

Maggiore è la carica effettiva della molecola, maggiore è la profondità del pozzo potenziale e, di conseguenza, minore è la probabilità che la molecola venga espulsa dal pozzo. In pratica, ciò significa che il tempo necessario per l'espulsione della molecola dal pozzo è direttamente correlato alla sua carica effettiva.

"In definitiva si riduce a un principio statistico, " spiega Krishnan. "Se sappiamo per quanto tempo una molecola rimane intrappolata nel pozzo, sappiamo esattamente quanto è profondo il pozzo. E poiché questa profondità dipende direttamente dalla carica effettiva della molecola, possiamo dedurre anche questo valore in modo molto preciso."

Due piatti di vetro

Al fine di creare un potenziale pozzo, gli scienziati hanno compresso una soluzione contenente le proteine ​​tra due lastre di vetro, uno di loro essendo coperto di fori microscopici. Le molecole intrappolate in potenziali pozzetti sono state etichettate con agenti fluorescenti, che ha permesso di seguirli con un microscopio ottico.

Mentre la scoperta ha importanti implicazioni fondamentali, potrebbe anche aprire la strada a nuovi strumenti diagnostici per molte malattie causate da proteine ​​deformate, come l'Alzheimer e i tumori. "Sappiamo che la conformazione 3D di una proteina influenza la sua carica effettiva, e il nostro lavoro potrebbe presentare un nuovo percorso per rilevare le proteine ​​difettose".