Le proteine come solidi cristallini

Pubblicata scoperta coordinata da scienziati perugini
Perugia

Un team internazionale, guidato dal professore Alessandro Paciaroni del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università degli Studi di Perugia ha appena pubblicato sulla prestigiosa rivista “Proceedings of the National Academy of Sciences (Katava et. al., PNAS ), uno studio fondamentale riguardante il comportamento delle proteine: si è scoperto che, in corrispondenza della transizione di denaturazione, le proteine presentano un comportamento dinamico simile a quello dei cristalli solidi.

Una simile scoperta ha un notevole risvolto applicativo, non solo nel campo delle scienze della vita, ma anche in quello biotecnologico e farmacologico: basti pensare che i principi terapeutici di farmaci basati su proteine hanno un valore di circa 30 miliardi di dollari nel solo mercato statunitense.

“Conoscere le proprietà dinamiche delle proteine è una sfida essenziale per la ricerca biofisica perché le proteine regolano il metabolismo cellulare, dunque sono la chiave per comprendere i meccanismi della vita – sottolinea Paciaroni -. In particolari condizioni di temperatura, pressione o pH le proteine perdono la loro conformazione funzionale, detta anche nativa, e transiscono ad una conformazione non più attiva, detta ‘denaturata’: questa transizione è di fondamentale importanza perché marca i limiti di stabilità e funzionalità di questi bio-nano-dispositivi così importanti per gli esseri viventi”.

Per arrivare a questa importante scoperta, una proteina modello è stata inserita in tre solventi diversi per osservarne la dinamica veloce, cioè le trasformazioni in tempi inferiori al nanosecondo, in corrispondenza della transizione di fusione (o denaturazione). Lo studio mostra che, nonostante la temperatura di fusione della proteina cambi in base al tipo di solvente usato, in prossimità della temperatura di fusione le sue fluttuazioni locali raggiungono sempre lo stesso valore. L’analogia con il criterio di Lindemann, proposto nel 1910 per la fusione dei solidi, è sorprendente: i cristalli, infatti, fondono quando le fluttuazioni atomiche medie eccedono un certo valore di soglia del reticolo cristallino.

L’analogia osservata non solo offre dati inediti sulla relazione fra flessibilità e stabilità della struttura delle proteine, ma consente di predire la denaturazione in speciali contesti (ad esempio, nei diversi ambienti cellulari) a partire dallo studio delle fluttuazioni termiche locali delle proteine. La sorprendente somiglianza fra la fusione dei solidi cristallini e quella delle biomolecole allo stato nativo mostra che i due sistemi, apparentemente così diversi, condividono il comportamento dinamico in prossimità delle transizioni di fase.

Lo studio del team internazionale interdisciplinare guidato dal professore Paciaroni, che è composto da ricercatori dell'Università di Pisa, dell’Università Paris Diderot Sorbonne e dell’Università di Verona, conquista anche un’importante acquisizione teorica, perché si dimostra che i modelli sviluppati per la fisica dello stato solido possono essere applicati con successo anche ai sistemi biologici complessi.