In una mite serata di inizio giugno, Space X ha lanciato il razzo Falcon 9, che ha traghettato la navicella spaziale Dragon verso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Mentre il Drago spezzava i legami della gravità terrestre tre piccoli, scatole nere erano al sicuro nella stiva. Queste scatole innocue ospitano un esperimento che potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare nuovi antidoti per gli agenti nervini utilizzati nelle zone di conflitto.

Ogni scatola contiene 30 camere in cui i cristalli della proteina, acetilcolinesterasi (AChE), crescerà. La proteina svolge un ruolo fondamentale nella normale comunicazione tra le cellule nervose e le cellule nervose e muscolari nel corpo umano. Quando AChE non è in grado di funzionare, i risultati sono fatali.

L'AChE è inibito da un gruppo di sostanze chimiche che si trovano comunemente nei pesticidi e negli agenti nervini, chiamati organofosfati. L'esposizione provoca tremori, paralisi respiratoria e, senza antidoto, Morte. In tutto il mondo, queste sostanze chimiche sono responsabili di 200, 000 morti ogni anno.

Gli antidoti agiscono riattivando la proteina AChE e spazzando via la tossina in eccesso dal corpo. L'antidoto approvato dalla FDA più comunemente usato—Pralidoxime (2-PAM)—disimpegna la molecola organofosfato dalla proteina AChE, che può tornare alle normali funzioni. I pochi antidoti disponibili per l'uomo non sono sufficientemente efficaci e lenti.

"Dobbiamo sviluppare antidoti che siano efficaci contro più tipi di organofosfati e che possano attraversare la barriera emato-encefalica per riattivare più facilmente più proteine ​​AChE, " disse Don Blumenthal, professore associato di Farmacologia e Tossicologia presso la University of Utah Health. "Questo è particolarmente importante per uno scenario di vittime di massa".

Blumenthal è stato il catalizzatore che ha riunito un team di esperti provenienti da tutto il paese guidato dal ricercatore principale del progetto Zoran Radić, professore associato presso la Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences presso l'Università della California, San Diego (UCSD), nella ricerca di antidoti a queste terribili tossine.

All'arrivo all'ISS, l'astronauta Jack Fisher recuperò le scatole e, con un giro di poche leve, capsule esposte che contengono la soluzione proteica a un cocktail di vari sali e tamponi in ciascuna camera. Nei prossimi quattro mesi, il cocktail disidraterà la soluzione proteica, permettendo alla proteina AChE di cristallizzare e crescere nella microgravità della stazione spaziale.

Navigazione nella gola catalitica

Gli scienziati hanno iniziato a mappare la struttura della proteina AChE diversi decenni fa utilizzando la cristallografia a raggi X. Blumenthal, che ha trascorso la sua carriera utilizzando questa tecnica, descrive queste strutture come semplici istantanee della struttura della proteina, catturato a una temperatura gelida, 100 Kelvin (-280 °F). Hanno rivelato una complessa struttura proteica con un distinto, profondo abisso, chiamato la gola catalitica, al suo centro.

"La gola catalitica è come un canyon di slot, " ha detto Blumenthal. "L'enigma è stato come ottenere l'organofosfato e la molecola di antidoto in questo spazio ristretto."

Nel suo stato congelato, la gola non può ospitare né grandi molecole, molto meno entrambi allo stesso tempo, che ha ostacolato i tentativi dei ricercatori di sviluppare nuovi antidoti.

Nel profondo della gola si trova il sito dell'enzima attivo, dove il neurotrasmettitore, acetilcolina, viene scomposto e gli antidoti funzionano.

"Il sito dell'enzima attivo si è evoluto per accogliere rapidamente i neurotrasmettitori, " ha detto Radić. "Fino a 10, 000 neurotrasmettitori possono entrare e uscire dal sito enzimatico ogni secondo".

Gli organofosfati si legano al sito enzimatico attivo e bloccano la degradazione del neurotrasmettitore.

"L'unica spiegazione per come gli organofosfati e gli antidoti navigano nella gola è che la proteina respira, ", ha detto Blumenthal.

Anche se la proteina non sta inspirando ed espirando, i ricercatori ritengono che la sua struttura sia dinamica e cambi forma per accogliere grandi molecole. Usando i raggi X, Blumenthal e i suoi colleghi hanno identificato la posizione degli atomi pesanti nella struttura proteica, ma la magia dietro il movimento della proteina stava nel mappare l'esatta posizione degli atomi di idrogeno più leggeri, che costituiscono la metà degli atomi della proteina.

"Tipicamente, abbiamo solo la nostra immaginazione per mappare dove si trovano gli atomi di idrogeno nella struttura cristallina in base alla nostra intuizione e conoscenza chimica, " ha detto Andrey Kovalevsky, Scienziato del personale di ricerca e sviluppo nella divisione di biologia e materia molle dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Questo non sempre ci dà la risposta giusta."

Mentre la cristallografia a neutroni è più costosa, e meno disponibile della cristallografia a raggi X, Kovalevsky è costantemente stupito dai risultati inaspettati. Colpendo il cristallo, il fascio di neutroni si diffonde, producendo un modello di diffrazione che dettaglia il posizionamento di ogni atomo, anche gli atomi di idrogeno, nella struttura.

"Le strutture rivelate dalla diffrazione di neutroni possono riscrivere completamente la nostra comprensione della chimica alla base dei processi biologici, da come funzionano gli enzimi al modo in cui i farmaci si legano a un bersaglio, " ha detto Kovalevskij.

Superare gli ostacoli della Terra

Ma Kovalevsky era ostacolato. Nonostante abbia trascorso anni a sviluppare condizioni di crescita ottimali sulla superficie terrestre, nessun cocktail ha fatto crescere questi cristalli proteici abbastanza grandi da diffrangere il raggio di neutroni.

"La crescita dei cristalli è un'arte, " ha detto Kovalevsky. "Ogni cristallografo lotta con questo processo per produrre cristalli che siano abbastanza grandi e comunque di buona qualità".

Fu allora che ebbe la folle idea. Invia i cristalli nello spazio.

I suoi colleghi erano d'accordo.

"Quando sono arrivato a Oak Ridge, Ho saputo di altri scienziati che hanno tentato questa strada e hanno coltivato cristalli migliori nello spazio, " disse Kovalevsky. Poi, ha riso, "Crescere in Ucraina, Non avrei mai immaginato di inviare un esperimento nello spazio".

Mentre i cristalli nello spazio possono crescere solo leggermente più grandi delle loro controparti sulla Terra, si allungheranno lungo ogni dimensione della sua struttura tridimensionale. Di conseguenza, il volume aumenterà notevolmente.

Inoltre, si formano in modo più altamente organizzato. Un cristallo è composto da unità più piccole, che si assemblano come blocchi da costruzione in uno schema uniforme. Nello spazio, quei blocchi sono riuniti in uno schema più regolare per formare un cristallo migliore.

"Un volume più grande e un cristallo più organizzato, " ha detto Kovalevsky.  "È tutto collegato per produrre un modello di diffrazione migliore".

Ma Kovalevsky ha dovuto arrampicarsi. Aveva meno di un anno dopo che i suoi colleghi si erano assicurati un posto su un futuro volo spaziale per riottimizzare il sistema per far crescere questi cristalli proteici all'interno dei confini di un'astronave.

I cristalli che torneranno sulla Terra in quattro brevi mesi saranno un cristallo composto, costituito dalla proteina AChE più uno dei tre antidoti sperimentali:due creati alla UCSD e un antidoto organofosfato ampiamente testato, MMB4. Kovalevsky sottoporrà questi cristalli a un fascio di neutroni all'ORNL.

Dopo aver inchiodato la struttura proteica, useranno queste informazioni in simulazioni al computer per progettare nuove molecole che possano accedere al sito di attivazione alla base della gola. Sintetizzeranno gli antidoti candidati e confronteranno la loro efficacia con l'attuale trattamento approvato dalla FDA, 2-PAM.

I ricercatori devono ora giocare al gioco dell'attesa fino a quando i cristalli non saranno riportati sulla Terra. Prevedono che la navicella spaziale di ritorno affonderà nell'Oceano Pacifico in ottobre. I 90 cristalli contenuti all'interno del piccolo, le scatole nere avranno viaggiato per centinaia di miglia dalla Terra alla ISS e di nuovo a casa.

"Più velocemente possiamo ottenere le informazioni di cristallo, più velocemente possiamo iniziare a lavorare per identificare e creare nuovi antidoti, ", ha detto Blumenthal.