Fig 1. Un disegno raffigurante un fascio di filamenti peptidici di 10 nanometri di diametro posizionati in una matrice esagonale. Fenomeni simili possono verificarsi naturalmente nei citoscheletri delle cellule, la cornea dell'occhio, e altre aree della biologia. L'inserto (in basso a destra) raffigura la struttura molecolare dei singoli filamenti. (Immagine per gentile concessione di S.I. Stupp.)
(PhysOrg.com) -- Gli esperimenti a volte possono portare alla scoperta di fenomeni completamente imprevisti. È il caso del notevole comportamento esibito dalle nanostrutture peptidiche (sotto forma di filamenti supramolecolari) osservato durante gli esperimenti condotti dai ricercatori della Northwestern University alla beamline 5-ID del DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) Synchrotron Research Center presso l'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory.
Secondo il professor Samuel Stupp, autore principale dello studio recentemente pubblicato su Scienza , mentre "cercava di chiarire l'organizzazione gerarchica delle nanostrutture peptidiche" il suo team ha scoperto che quando disperso in acqua, quelle nanostrutture filamentose potrebbero organizzarsi in fasci esagonali. I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che a concentrazioni sufficientemente elevate in soluzione, i filamenti potrebbero autoassemblarsi spontaneamente in strutture cristalline (i fasci esagonali). Ancora più sorprendente è stata la scoperta che i raggi X utilizzati per sondare le nanostrutture a volte innescavano anche la cristallizzazione dei filamenti. Questo lavoro potrebbe avere un impatto sulla nostra comprensione delle nanostrutture nei sistemi biologici e sulla nostra capacità di controllare la struttura dei materiali.
I filamenti utilizzati per questa ricerca possedevano diametri di circa 10 nanometri e lunghezze dell'ordine delle decine di micrometri. I filamenti sono stati derivati da una molecola sintetica contenente una breve sequenza peptidica. I peptidi sono composti contenenti due o più amminoacidi. Qui, la sequenza peptidica consisteva di sei molecole di amminoacidi alanina legate a tre molecole di acido glutammico - abbreviato Ala 6 colla 3 - che a sua volta è stato innestato su una molecola alchilica. Le “supramolecole” risultanti si autoassemblavano in acqua per formare i filamenti.
Una sequenza di esperimenti è stata progettata per rivelare la disposizione dei filamenti dispersi nell'acqua. Diverse concentrazioni acquose dei filamenti sono state collocate all'interno di minuscoli capillari di quarzo di 2 mm di diametro e studiate utilizzando lo scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS) alla linea di luce DND-CAT. Le concentrazioni variavano dallo 0,5 al 5% in peso. I dati SAXS hanno rivelato che tutte le concentrazioni di filamenti si sono aggregate in fasci che mostrano un impaccamento esagonale (vedi Fig. 1). L'organizzazione dei filamenti in fasci esagonali (cioè, cristallizzazione) è piuttosto notevole. Ma ancora più notevole fu l'osservazione che la maggiore concentrazione di filamenti (2 e 5 percento in peso) cristallizzava spontaneamente, mentre le soluzioni a minore concentrazione (0,5 e 1% in peso) si sono cristallizzate solo mediante esposizione ai raggi X.
Secondo il prof. Stupp, la cristallizzazione dei filamenti, sia per autoassemblaggio che per esposizione ai raggi X, costituiscono fenomeni che “non abbiamo mai visto prima” in altri sistemi supramolecolari. Stupp ha anche osservato che "nel fare gli esperimenti al sincrotrone APS, siamo rimasti sorpresi di scoprire che i raggi X potrebbero promuovere la cristallizzazione”.
Una caratteristica affascinante della cristallizzazione indotta dai raggi X era la reversibilità del processo, che era effettivamente visibile. Utilizzando la soluzione all'1% in peso, un totale di 200 secondi di irradiazione a raggi X ha reso opaca la soluzione inizialmente trasparente, indicando la cristallizzazione. Dopo la sospensione dei raggi X, l'opacità della soluzione è diminuita lentamente fino a tornare limpida entro circa 40 minuti, indicando un ritorno al disordine. Un esperimento SAXS successivo ha esposto la soluzione a una serie di raffiche di raggi X di 4 secondi. I dati sperimentali hanno mostrato che i filamenti inizialmente non ordinati (rivelati dalla prima esposizione di 4 secondi) hanno gradualmente subito un cambiamento in fasci di filamenti ordinati in modo esagonale come registrato durante le ultime esposizioni a raggi X. Quando l'esperimento fu ripetuto due ore dopo, i dati SAXS hanno rivelato che i filamenti erano di nuovo disordinati:la struttura cristallina era scomparsa.
I ricercatori hanno valutato se fattori estranei potrebbero aver contribuito all'ordinamento dei filamenti. I raggi X intensi possono creare nuovi composti chimici all'interno di una soluzione a causa della ionizzazione, oltre a produrre un leggero riscaldamento. Però, successivi test delle soluzioni filamentose hanno mostrato che né specie chimiche indesiderate, né effetti termici, aveva avuto un ruolo nelle cristallizzazioni spontanee o innescate dai raggi X.
Per quanto riguarda il meccanismo di base responsabile della cristallizzazione, i ricercatori prevedono che la stabilità a lungo termine dei domini cristallini sia un equilibrio tra due tensioni opposte:le cariche elettriche che risiedono sui filamenti (sia native che indotte dall'irradiazione di raggi X) tendono a separare i fasci filamentosi, mentre l'intrappolamento dei filamenti all'interno della rete più grande porta ad una compressione meccanica verso l'interno.
I dati sperimentali hanno rivelato che con l'aumentare della concentrazione dei filamenti, anche il numero di filamenti all'interno dei fasci è aumentato, fino a quando una concentrazione critica di filamenti ha portato alla loro disposizione esagonale spontanea all'interno dei fasci (cioè cristallizzazione). D'altra parte, concentrazioni filamentose inferiori - incapaci di cristallizzare spontaneamente - potevano farlo solo quando i raggi X aumentavano la densità di carica sulle superfici dei filamenti, modificando così l'equilibrio delle forze interfilamento a favore della cristallizzazione.
Lo stesso meccanismo che ha creato le loro reti filamentose cristalline artificiali potrebbe essere all'opera nelle cellule biologiche, portando il Prof. Stupp ad osservare che “questa ricerca potrebbe aiutarci a comprendere l'organizzazione delle nanostrutture nei sistemi biologici, e può anche avere applicazioni nel controllo della struttura dei materiali”.
