Dall’ebollizione all’Alzheimer: come funziona la nucleazione?

Che cosa hanno in comune l’acqua che bolle in una pentola, le nuvole e i cristalli di zucchero che usiamo per dolcificare il tè? Per quanto diversi, tutti questi fenomeni hanno origine dalla nucleazione, un processo fisico che innesca il riarrangiamento strutturale della materia. Ricercatori dell’Università di Cambridge, in Gran Bretagna, e dell’Università di Harvard, negli Stati Uniti, hanno ora illustrato il meccanismo molecolare alla base di questo fenomeno. I risultati potrebbero avere ricadute in ambiti diversi, dalla terapia di malattie degenerative, come l’Alzheimer, allo sviluppo di nuovi materiali con le nanotecnologie.

Nucleazione_news3Cristalli di zucchero per dolcificare il tè (Foto: Wikimedia Commons).

La nucleazione spiega fenomeni tra loro molto diversi

La nucleazione è l’evento scatenante di molti passaggi di stato: l’ebollizione, la condensazione e la sublimazione sono tutti fenomeni che richiedono la formazione di piccole unità del nuovo stato della materia, che si propagherà poi spontaneamente al resto della sostanza. Si tratta di una transizione che avviene in condizioni termodinamiche specifiche e che riguarda anche fenomeni non correlati direttamente ai passaggi di stato, come la cristallizzazione o l’assemblamento spontaneo di filamenti proteici. Persino nei Soda geyser innescati da alcune caramelle c’è lo zampino della nucleazione. Ma se è la nucleazione a innescare tutti questi fenomeni, che cosa innesca la nucleazione?

 

Nucleazione: lì dove le molecole iniziano a ballare

Per spiegare il processo di nucleazione Anđela Šarić, primo autore dello studio apparso sulla rivista The Journal of Chemical Physics, suggerisce di pensare al modo in cui una tranquilla cena tra amici si può trasformare in una festa scatenata: «questo passaggio richiede generalmente che un gruppetto di persone inizi a ballare nello stesso momento». Si crea così un nucleo di persone attorno alle quali anche le altre inizieranno a ballare. Se questo gruppetto rimane di piccole dimensioni, è probabile che venga ignorato dagli altri. Tuttavia, oltre una certa dimensione, il “nucleo” iniziale attirerà sempre più persone, fino a trasformare l’intero gruppo di persone in unica massa danzante.

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La nucleazione assomiglia a un flash mob in strada: basta che un gruppetto di persone si metta a ballare perché altre si uniscano subito (Foto: Wikimedia Commons).

Da un punto di vista termodinamico, il gruppetto di persone che iniziano a ballare per prime gioca un ruolo chiave sul successivo dipanarsi del fenomeno: il numero minimo di persone o, fuori di metafora, di molecole viene indicato con il nome di “nucleo critico” ed è da sempre considerato il fattore principale da cui dipende l’esito della nucleazione.

 

La nucleazione delle proteine

La nucleazione è importante anche per la formazione di filamenti di proteine: basti pensare al modo in cui si assemblano spontaneamente i filamenti di actina e di tubulina, due delle principali proteine del citoscheletro. Questo fenomeno entra però in gioco anche in alcune malattie ed è alla base, per esempio, della formazione di fibrille amiloidi. Queste strutture sono formate da proteine con un’anomala configurazione β: si accumulano sotto forma di placche e, con il tempo, causano la degenerazione del tessuto nervoso. La presenza di placche amiloidi è uno dei segni clinici caratteristici della malattia di Alzheimer, ma si riscontra anche nei pazienti affetti da Parkinson o da diabete di tipo II.

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La proteina amiloide con la caratteristica configurazione β (Immagine: Wikimedia Commons).

Grazie a simulazioni al computer, i ricercatori sono riusciti a studiare le condizioni che favoriscono – dal punto di vista termodinamico e cinetico – la nucleazione dei primi filamenti di proteine amiloidi e la loro successiva propagazione. I primi a formarsi sono piccoli oligomeri di proteine, che si raggruppano disordinatamente proprio come i gruppetti di persone che iniziano a ballare a una festa. Avviene poi un cambiamento conformazionale, che trasforma gli oligomeri in filamenti maturi che crescono progressivamente e propagano la configurazione beta anche ad altre proteine.

 

Oltre il nucleo critico

Questo studio cambia il modo in cui gli scienziati hanno guardato fino a oggi all’accumulo di β-amiloide nel cervello: dal punto di vista termodinamico, non è tanto la dimensione del nucleo critico a giocare un ruolo nell’aggregazione dei filamenti, quanto piuttosto il cambio di conformazione. Questa scoperta fa da rampa di lancio allo sviluppo di terapie più mirate, che blocchino il progredire della malattia impedendo il cambio conformazionale delle proteine.

Le applicazioni di questo studio sono importanti anche per le nanotecnologie: l’interesse per biomateriali proteici  è in continua crescita e filamenti in grado di auto-assemblarsi potrebbero costruire ottimi supporti per le applicazioni di ingegneria dei tessuti e per la medicina rigenerativa.

 

Immagine banner: Pixabay

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