Il morbo di Alzheimer deriva da un impilamento disfunzionale di molecole proteiche che formano lunghe fibre all'interno delle cellule cerebrali. Un impilamento simile si verifica nell'anemia falciforme e nel morbo della mucca pazza.

Gli scienziati sanno che queste fibre ordinate si sviluppano da un'ampia varietà di molecole, ma potrebbe esserci un motivo comune per cui si formano?

In una nuova ricerca, i fisici dell'Università di Chicago e dell'Università Paris-Saclay suggeriscono che tali fibre proteiche sono una manifestazione di un principio fisico generale. E quel principio offre la possibilità di nuovi farmaci e strumenti per la progettazione di strutture proteiche desiderabili. I risultati sono stati pubblicati all'inizio di questo mese in Fisica della natura .

"Abbiamo una forte evidenza che c'è un principio che modella il modo in cui le cose si aggregano che può essere usato sia per comprendere la malattia e modificarla sia per fare in modo che le cose si autoassemblano in un modo da noi dettato, " ha detto il co-autore Thomas Witten, l'Homer J. Livingston Professore Emerito di Fisica all'UChicago.

Le proteine ​​si aggregano continuamente. Ma per lo più producono macchie amorfe simili a quelle della zuppa di uova. "Stiamo cercando di scoprire cosa fa assemblare alcune molecole per formare una fibra invece di una massa, " ha detto Witten.

Le proteine ​​che formano le fibre sono identiche ma irregolari; non si incastrano perfettamente. Witten e il suo collaboratore Martin Lenz, un ricercatore presso l'Université Paris-Saclay, si chiedeva se quell'irregolarità potesse contenere una chiave per la formazione delle fibre. Usando i computer, Lenz, autore principale dello studio, ha ideato un modello matematico per simulare come oggetti identici ma inadatti si sarebbero raggruppati insieme. Ha usato pentagoni e altri poligoni semplici per rappresentare l'irregolare, proteine ​​che formano fibre.

"Non avevamo un laboratorio e provette. Avevamo solo queste piccole forme, " ha detto Witten.

I ricercatori hanno fatto dipendere l'interazione dei poligoni solo da due attributi senza incorporare altre caratteristiche delle molecole reali. Come in una vera fibra, tutte le sottounità sono identiche e irregolari. Sono anche ciò che Witten chiama "appiccicosi":si attraggono a vicenda ma non sentono l'attrazione finché non si toccano. Loro "vogliono" toccare, e guadagnano energia se lo fanno. Ma poiché le forme non si incastrano perfettamente, "le loro superfici non possono toccare e sentire la viscosità e ottenere quell'energia a meno che non si distorcano, " ha detto Witten.

La loro propensione è quella di allungarsi il più possibile per massimizzare la quantità della loro superficie a contatto. "Ma la distorsione costa loro energia, " Ha detto Witten. "Devono esercitare delle forze per far incontrare le superfici. Quindi c'è una competizione tra l'energia guadagnata attaccando e il costo energetico della distorsione".

Le simulazioni fatte da Lenz incarnavano quella competizione. Le forme potrebbero attaccarsi lungo qualsiasi superficie. Gli scienziati hanno variato il grado di viscosità rispetto al costo energetico della distorsione per ciascuna forma e hanno esaminato le varie strutture che si sono formate nell'intervallo di valori. I risultati sono stati sorprendenti:indipendentemente dalla forma che usavano, quando la viscosità e il costo energetico della distorsione erano più o meno uguali, hanno fibre ogni volta.

Era necessaria una caratteristica aggiuntiva per formare le fibre. La crescita doveva essere irreversibile con ogni superficie che si attaccava che doveva rimanere attaccata. Senza questa caratteristica irreversibile, spesso visto in molecole reali, le lunghe fibre finirebbero per fondersi in chiazze rotondeggianti.

La ricerca differisce dall'approccio adottato dagli scienziati che studiano le malattie causate dalle fibre proteiche. "Hanno lavorato molto sui particolari delle molecole coinvolte, e ci sono idee fortemente radicate su come quei particolari causano la formazione delle fibre, " ha detto Lenz.

"Stiamo dicendo, "Non hai bisogno di una molecola specifica:è un principio generale." Sono scettici su questo, ma nonostante il loro scetticismo, riconoscono che la nostra idea merita di essere ascoltata, " ha detto Witten.

Finora, Lenz e Witten hanno provato solo una piccola serie di forme in due dimensioni. Hanno in programma di provare a vedere se il principio è vero per le forme arbitrarie, in tre dimensioni, e astrarre l'essenza di ciò che sta accadendo nelle simulazioni.

"Vogliamo avere una teoria che predice cose che possiamo poi verificare al computer, una teoria che non usa caratteristiche specifiche di una particolare forma di particella ma usa solo la viscosità e la distorsione, " disse Witten. "Potremmo essere in grado di prevenire le fibre della mucca pazza e delle cellule falciformi, se comprendiamo questo principio. E dovremmo essere in grado di utilizzare il principio per produrre fibre quando sono utili. Metti solo la giusta viscosità, metti la giusta distorsione, aggiusta tutto e ottieni le fibre che vogliamo."