Tra lo zoo di biomolecole essenziali alla vita, le proteine ​​sono le più sorprendentemente varie e versatili.

Queste strutture complesse, generati dal codice del DNA e costruiti da circa 20 amminoacidi svolgono un ruolo centrale in innumerevoli processi vitali. Sotto forma di anticorpi, le proteine ​​difendono gli organismi da agenti infettivi come batteri e virus. Come enzimi, le molecole proteiche accelerano le reazioni chimiche necessarie per sostenere la vita. Le proteine ​​agiscono anche come messaggeri che coordinano le diverse attività di comunicazione tra le cellule.

Sebbene le proteine ​​siano state oggetto di intensi studi, i ricercatori hanno ancora molto da imparare su queste molecole enigmatiche che si autoassemblano in elaborate forme 3D; in particolare i loro ruoli sottili nella salute e nella malattia.

In un nuovo studio, Stuart Lindsay e i suoi colleghi dell'Arizona State University esplorano una proprietà sorprendente delle proteine, che è venuta alla luce solo di recente. Nella ricerca che appare in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS) , il gruppo dimostra la conduttanza elettrica attraverso proteine ​​in bilico tra una coppia di elettrodi.

Mostrano inoltre che tale conduttanza si verifica solo in condizioni altamente specifiche, quando i contatti che collegano le molecole proteiche ai loro elettrodi sono composti esattamente dalla molecola che la proteina si è evoluta per legarsi. Ciò fornisce una ricetta per il cablaggio delle proteine ​​nei circuiti elettrici.

"Se mi avessi detto che le proteine ​​sarebbero stati buoni elementi di circuito 5 anni fa, Avrei riso di te, è ridicolo, " dice Lindsay. Il suo scetticismo però, presto cedette il posto alla sorpresa:"Abbiamo scoperto alcuni anni fa che una proteina coinvolta nell'incollare le cellule, senza funzione elettrica nota, condotto come un bel filo se collegato agli elettrodi dal piccolo pezzo di proteina che si era evoluto per riconoscere. Questo era un grande mistero per noi, e il presente studio è stato progettato per vedere se questa fosse una proprietà generale di qualsiasi proteina selezionata casualmente. Risulta essere vero:tutte le proteine ​​che abbiamo provato, collegati agli elettrodi per mezzo delle molecole specifiche che riconoscono, fare fili molecolari quasi perfetti, anche se siamo lontani dal capire perché sia ​​così."

Canto il corpo elettrico

Il flusso di elettroni attraverso i sistemi biologici costituisce alcune delle reazioni più importanti in Natura, essenziale per i processi di conversione dell'energia che vanno dalla respirazione e dal metabolismo alla fotosintesi. Mentre le basi sono comprese, sono necessari metodi sofisticati per svelare i minimi dettagli e rimangono molti enigmi.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno effettuato misurazioni elettroniche dirette di singole molecole proteiche, che sono stati tradizionalmente considerati isolanti elettrici. Le misurazioni sono state effettuate utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel, uno strumento con una sonda finissima in grado di toccare una sola molecola.

La molecola iniziale di scelta è nota come integrina, una proteina ubiquitaria che le cellule usano per attaccare il loro citoscheletro alla matrice extracellulare. Un'integrina si è evoluta per riconoscere un particolare piccolo peptide (piccolo pezzo di proteina) ha agito come un forte conduttore, mentre un'integrina variante, non si è evoluto per riconoscere quel particolare peptide, ha agito da isolante. Avendo identificato l'integrina come un conduttore forte nelle giuste condizioni, il gruppo ha iniziato la ricerca di altre proteine ​​capaci di conduttanza, guardando in particolare alle proteine ​​che non hanno alcun ruolo noto nel trasferimento di elettroni.

In tutto, sei proteine ​​sono state selezionate per lo studio di conduttanza. Nessuno era in grado di generare corrente elettrochimica, lasciando la conduzione elettronica come unico mezzo di conduzione elettrica. Quando le molecole erano legate a una superficie nella loro nativa, ambiente acquoso, e per mezzo di molecole le proteine ​​specificamente riconosciute, è stata osservata la conduttività elettrica.

Questa conduttività era massima quando sono stati effettuati due contatti specifici, ad esempio, utilizzando un anticorpo che ha due siti per legare la sua proteina bersaglio. Quando gli anticorpi sono stati tagliati a metà, quindi è stato effettuato un solo contatto specifico, la conduttività è diminuita drasticamente. Alcune delle molecole anticorpali utilizzate nello studio sono state sviluppate e sintetizzate nel laboratorio del coautore Qiang "Shawn" Chen, presso il Centro Biodesign di Immunoterapia, Vaccini e Viroterapia, utilizzando sistemi di espressione vegetale rapidi e flessibili.

La vita segreta delle proteine

Le implicazioni di questi risultati sono significative perché consentono una grande specificità nella rilevazione di singole molecole, e perché forniscono una ricetta per collegare le proteine ​​in un circuito elettrico dove possono essere utilizzate come sensori chimici sensibili. Usando la tecnica, i singoli anticorpi possono essere rilevati elettricamente quando si legano a un epitopo peptidico legato agli elettrodi. Dove non si verifica alcun vincolo, il segnale sarà zero, senza dispersione elettrica di fondo nel circuito, in contrasto con i saggi di fluorescenza comunemente usati (ELISA) che soffrono di segnali di fondo indesiderati.

Come dimostra lo studio, la rottura di un braccio dell'epitopo a forma di Y ha causato un livello inferiore di conduttanza attraverso la molecola, producendo picchi di conduttanza inferiori. Come spiega Lindsay:"Un sito di legame andrà bene, but the best circuits are made with two specific binding sites. Once you're armed with that knowledge it's like being told how to use a piece of electronic design software to make protein circuits." Lindsay's group is currently working on a variety of systems leveraging this approach.

Lindsay, who directs the Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics, has been performing elaborate tricks with individual molecules for much of his career. The study of subtle events occurring at the nanoscale has important implications for chemistry, biologia, fisica, materials science, ingegneria, and other fields. At this tiny scale, ghostly effects associated with the quantum realm become key ingredients governing physical behavior.

Lindsay holds the Edward and Nadine Carson Presidential Chair in Physics, and is also professor in the School of Molecular Sciences at Arizona State University.

On the horizon, a chip-based version of the technology could beam individual protein information to a computer for analysis, making the promise of truly personalized medicine a reality. "The next steps will be actually making some of the protein-based machines that will serve very useful functions in medicine and analytical chemistry, " Lindsay says. "The technology is very powerful."