Che si tratti di nuvole o di bollicine di champagne, o l'insorgenza precoce della malattia di Alzheimer o del diabete di tipo 2, un meccanismo comune è all'opera:i processi di nucleazione.
I processi di nucleazione sono un primo passo nel riarrangiamento strutturale coinvolto nella transizione di fase della materia:un liquido che si trasforma in un gas, un gas che diventa liquido e così via. Nuvole, acqua bollente, bolle, e alcuni stadi della malattia sono tutti caratterizzati dalla formazione di una nuova fase termodinamica che richiede la formazione di alcune delle unità più piccole della nuova struttura prima che questa nuova fase possa crescere. Comprendere questo processo è fondamentale per prevenire, fermare o trattare casi di processi di nucleazione andati male, come nelle malattie umane. Ora, un team di ricercatori dell'University College di Londra e dell'Università di Cambridge in Gran Bretagna in collaborazione con l'Università di Harvard hanno fatto progressi verso la comprensione di questo problema da un punto di vista molecolare in un nuovo studio. La loro scoperta è significativa in una serie di fenomeni, dalle malattie umane alle nanotecnologie.
"Forse un esempio intuitivo di nucleazione sarebbe il modo in cui una cena tranquilla si trasforma improvvisamente in una danzante; una tale transizione di solito richiede che più persone inizino a ballare contemporaneamente, fungendo da 'nucleo' attorno al quale si raccoglie la festa danzante, " ha spiegato Anđela Šarić, coautore principale presso l'University College di Londra e l'Università di Cambridge. I risultati di questo studio appariranno questa settimana in The Giornale di Fisica Chimica .
"Come comunemente osservato, se questo gruppo di ballerini è troppo piccolo, tende ad essere ignorato; però, al di sopra di una certa dimensione, questo nucleo danzante attira sempre più persone, alla fine dominando la stanza, "aggiunge Thomas Michaels, l'altro coautore principale. Questo numero minimo di ballerini richiesto per trasformare la festa è quello che in termini termodinamici è comunemente noto come "nucleo critico".
Nella loro ricerca, il team prende in considerazione un esempio particolarmente intrigante di un processo nucleato:la formazione di filamenti proteici. Molte strutture filamentose di proteine come actina e tubulina sono fondamentali per la crescita, formazione strutturale, movimento e divisione delle cellule. Sono una caratteristica essenziale dei sistemi viventi. Però, i filamenti proteici possono anche essere causa di malattie:oltre 50 disturbi comuni, compreso il morbo di Alzheimer, Morbo di Parkinson, e diabete di tipo 2, sono associati alla formazione e alla deposizione nel cervello o in altri organi di filamenti proteici comunemente noti come amiloidi.
Utilizzando una combinazione di teoria e simulazioni al computer, gli autori hanno esplorato la nucleazione dei filamenti proteici. Il loro obiettivo era stabilire i principi fisici fondamentali dietro di esso. I loro risultati hanno mostrato che un processo apparentemente complicato di nucleazione delle fibrille è in realtà governato da un meccanismo fisico relativamente semplice:inizialmente si formano grappoli non organizzati di proteine, i cosiddetti oligomeri.
Queste strutture non assomigliano ancora ai filamenti proteici, ma devono subire una conversione strutturale prima che possano crescere in filamenti maturi, arić ha spiegato. Hanno scoperto che tra molti diversi passaggi nella nucleazione delle fibrille, il cambiamento di forma all'interno degli oligomeri è il passaggio determinante per la velocità. Perciò, i cambiamenti conformazionali nella proteina all'interno degli oligomeri (che portano alla formazione di configurazioni di fogli ) sono cruciali per comprendere la nucleazione delle fibrille. In precedenza, la dimensione del nucleo critico è stata considerata il fattore determinante per la velocità.
Lo studio rappresenta un importante passo avanti nella comprensione meccanicistica del modo in cui si formano i filamenti proteici. Tale comprensione è fondamentale per studiare le prime fasi dell'insorgenza di malattie associate all'aggregazione proteica, poiché si ritiene sempre più che gli oligomeri siano la causa principale della tossicità cellulare.
"Capire quali passaggi a livello microscopico sono determinanti per la formazione di fibrille proteiche può fornire informazioni preziose per la progettazione di terapie razionali volte a sopprimere la generazione di oligomeri patogeni, " Ha spiegato Šarić
Inoltre, grazie alle loro proprietà fisico-chimiche uniche, filamenti proteici stanno trovando ampie applicazioni nella scienza dei materiali come biomateriali per la nanotecnologia, "Michaels ha detto. "Un migliore controllo della crescita filamentosa andrebbe a beneficio della produzione di nuovi materiali funzionali che hanno ampie applicazioni nella scienza dei materiali come biomateriali per la nanotecnologia".
