Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno fatto una scoperta sorprendente che potrebbe aiutare a spiegare il nostro rischio di sviluppare malattie croniche o tumori con l'avanzare dell'età, e come il nostro cibo si decompone nel tempo.

Cosa c'è di più, le loro scoperte, che sono stati segnalati di recente in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), indicano un legame inaspettato tra la chimica dell'ozono nella nostra atmosfera e la capacità cablata delle nostre cellule di scongiurare le malattie.

"La bellezza della natura è che spesso decide di utilizzare sostanze chimiche simili in un sistema, ma non avremmo mai pensato di trovare un legame comune tra la chimica atmosferica, e la chimica dei nostri corpi e del cibo, "ha detto Kevin Wilson, il vicedirettore della divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab che ha guidato lo studio. "Il nostro studio è il primo ad esplorare un altro percorso chimico che potrebbe influenzare il modo in cui le cellule del nostro corpo, e anche il nostro cibo, possono rispondere allo stress ossidativo, come l'inquinamento, col tempo."

I nostri corpi e alcuni dei nostri cibi preferiti, compresa la carne, noccioline, e avocado, hanno molto in comune:sono fatti di molecole organiche, come i lipidi insaturi, che sono elementi costitutivi importanti per le pareti cellulari.

Lipidi insaturi e altre molecole organiche, come carboidrati e proteine, degradano lentamente nel tempo a causa di una reazione a catena, nota come autossidazione, avviata dall'ossigeno e dai radicali idrossilici, un tipo di specie reattive dell'ossigeno. I radicali idrossilici attaccano insidiosamente i lipidi insaturi del nostro corpo e del nostro cibo, facendo diventare marrone l'avocado più fresco, Per esempio.

Il danno ai nostri corpi dai radicali idrossilici, però, è più devastante di un avocado ossidato. Con l'avanzare dell'età, decenni di esposizione ai radicali idrossilici e ad altre specie reattive dell'ossigeno debilitano lentamente ma sicuramente i lipidi insaturi del nostro corpo. Tale danno irreversibile aumenta lo stress ossidativo e la probabilità di sviluppare il cancro e malattie croniche legate all'età come l'Alzheimer.

Un collegamento inaspettato

Per decenni, gli scienziati credevano che i radicali idrossilici funzionassero da soli quando attaccano i lipidi insaturi.

Ma Wilson e il suo team di ricerca hanno scoperto che i radicali idrossilici hanno un sorprendente partner nel crimine, e si chiama "Criegee intermedio".

Gli intermedi Criegee sono altamente reattivi, molecole esotiche proposte per la prima volta dal chimico Rudolf Criegee nel 1975 per spiegare come gli inquinanti emessi dalle automobili e dalle fabbriche reagiscono con lo strato di ozono nella nostra atmosfera.

Così nel 2015, decenni dopo la rivoluzionaria scoperta di Criegee, Wilson e la coautrice Nadja Heine sono rimasti sorpresi nell'osservare una specie chimica chiamata "ozonidi secondari", molecole contenenti carbonio, idrogeno, e ossigeno, durante una reazione ossidrile con lipidi insaturi presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab. (Heine era un ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab al momento dello studio.)

Ciò che ha sconcertato i ricercatori è che gli ozonidi secondari non sono tipicamente associati ai lipidi insaturi; piuttosto, sono prodotti di una reazione intermedia di Criegee con aldeidi atmosferiche, che sono composti organici derivati ​​da alcoli.

"Ci siamo chiesti, gli intermedi di Criegee lavorano con l'idrossile nella degradazione dei lipidi insaturi negli alimenti, plastica, e le cellule del nostro corpo?" disse Wilson.

Andare a caccia al tesoro

Poiché gli intermedi Criegee hanno un'esistenza fugace, è difficile osservarli direttamente. Quindi i ricercatori hanno usato un processo di eliminazione per azzerarli.

L'autore principale Meirong Zeng, un ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab, ha impiegato una tecnica chiamata spettroscopia di massa presso la SLA per illuminare le nanogoccioline lipidiche alla luce ultravioletta. L'ALS è una struttura di sincrotrone finanziata dal DOE che fornisce fasci di raggi X, ultravioletto, e luce infrarossa per supportare dozzine di esperimenti simultanei per esplorare la struttura microscopica e la composizione chimica dei campioni in un'ampia gamma di discipline scientifiche.

Quando ha aggiunto molecole di alcol "spazzino" note per reagire solo con gli intermedi di Criegee alle nanogocce lipidiche, ha osservato che il tasso di degradazione dei lipidi è notevolmente rallentato, una conseguenza della reattività delle molecole scavenger con gli intermedi di Criegee e rendendoli così inerti, ha detto Zeng.

Hanno anche scoperto che una volta che gli intermedi di Criegee erano stati disabilitati dalle molecole scavenger, la reazione ha prodotto prodotti simili al perossido, e non rilasciava ozonidi secondari, ha detto Zeng.

I ricercatori ritengono che questi risultati forniscano la prova di un nuovo percorso di degradazione dei lipidi in cui l'idrossile affamato di lipidi genera intermedi di Criegee, che poi danno vita a un nuovo lotto di ossidrile; l'idrossile appena formato emette una nuova generazione di intermedi Criegee; e il ciclo va avanti e avanti.

"Questo ci ha sorpreso perché i radicali idrossilici erano noti per causare danni ossidativi alle cellule, ma ciò che non si sapeva prima del nostro studio è che l'idrossile fa questo attraverso la formazione di intermedi di Criegee, "Ha aggiunto Wilson.

Poiché le malattie croniche, cancro, e il deterioramento degli alimenti sono stati collegati al danno cellulare causato dai radicali idrossilici, i ricercatori ritengono che gli intermedi di Criegee potrebbero anche svolgere un ruolo simile nella degradazione molecolare che ci rende vulnerabili alle malattie con l'avanzare dell'età, e questo fa marcire il cibo.

Un nuovo percorso per gli antiossidanti

La scoperta potrebbe gettare le basi per una nuova classe di antiossidanti, dalle vitamine ai conservanti alimentari naturali, Zeng ha aggiunto.

"È una scoperta entusiasmante. Questo ci ha fornito un quadro più completo dei meccanismi alla base del degrado cellulare e delle malattie che era completamente inaspettato, " lei disse.

"Per completare questo lavoro ci sono voluti anni di duro lavoro da parte di Nadja e Meirong, e le capacità uniche della sorgente di luce avanzata per sondare la chimica complessa, " Wilson ha detto. "Speriamo che i risultati del nostro studio ispirino i ricercatori a esplorare ulteriormente la biochimica degli intermedi di Criegee, lipidi, e antiossidanti, che sono necessarie per aiutare le persone in diversi modi:dalla prevenzione delle malattie alla conservazione degli alimenti".

I ricercatori hanno in programma di lavorare con i teorici del Berkeley Lab per studiare le proprietà quantistiche, come la struttura elettronica, in gioco nella reazione intermedio/idrossile di Criegee per valutare meglio come questo ciclo potrebbe funzionare nelle cellule umane, cibo, e in materiali contenenti lipidi insaturi come plastiche e combustibili.