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Un termometro... di DNA

Tre ricercatori canadesi hanno appena presentato una nuova generazione di nanotermometri a DNA: riusciremo misurare le variazioni di temperatura all'interno della cellula?
Nella vita di tutti i giorni usiamo i termometri per regolare il termostato della caldaia o per provarci la febbre, ma gli scienziati sanno bene che la temperatura influenza ogni cosa, dal nostro clima alle reazioni chimiche, e per questo è fondamentale misurarla in maniera affidabile. Secondo un gruppo di biochimici e nanotecnologi canadesi (Université de Montréal) se vogliamo conoscere la temperatura di una singola cellula, dobbiamo usare le proprietà del DNA.  

I nanotermometri

Con l'avvento delle nanotecnologie c'è stato bisogno di creare anche nuovi strumenti di misura: i volumi di cui serve sapere la temperatura sono quelli di una cellula, troppo piccoli per una tradizionale sonda. Sono quindi nati diversi tipi di nanotermometri, in genere basati sulle proprietà delle molecole, tra cui quelle biologiche. Alcuni di questi termometri sono fatti di DNA. La scelta di questo materiale di costruzione è molto sensata: non solo si tratta della molecola della vita, e quindi estremamente compatibile anche con strutture viventi, ma conosciamo bene anche quanto questa sia sensibile ai cambiamenti di temperatura. Un semplice nanotermometro a DNA è costituito da una specie di asola (stem-loop) formata da un filamento di DNA ripiegato su se stesso. Quando la temperatura si alza oltre una certa soglia i nucleotidi tendono a separarsi e così facendo separano anche un fluoroforo (F) dal suo smorzatore (Q), generando un segnale fluorescente da cui è possibile dedurre la variazione di temperatura.
Stem-loop di DNA con fluoroforo e uno smorzatore Immagine: Bonnet et al., Pnas, 1999

Costruire col DNA

I  nanotermometri a DNA messi a punto fino ad ora avevano però diversi difetti che ne limitavano molto l'applicazione, in particolare potevano essere usati solo all'interno di un intervallo di temperatura di non più di 15 gradi.  Il DNA però è una molecola relativamente semplice, che è possibile "riprogrammare". Per esempio nello stem-loop si possono sostituire le coppie di nucleotidi A-T, legate da due ponti idrogeno, con C-G, che invece sono sono legate da tre ponti idrogeno: in questo modo si può regolare la temperatura alla quale il DNA comincerà a denaturarsi. Sfruttando meccanismi come questo, gli scienziati canadesi sono riusciti a ottenere una nuova gamma di nanotermometri a DNA utilizzabili tra i 30 e gli 85 °C e con una una sensibilità molto più elevata (± 0.05°C). Questi termometri, 20.000 volte più piccoli del diametro di un capello, sono appena stati presentati sulla rivista Nano Letters e secondo gli autori sono anche molto economici, fino a un quinto di quello che ora sarebbe necessario per dotarsi di questi particolarissimi strumenti di misura. Secondo il Professor Alexis Vallée-Bélisle, autore del lavoro assieme ai colleghi David Gareau e Arnaud Laurent Thomas Desrosiers: «Ci sono ancora molte domande senza in risposta in biologia. Per esempio, sappiamo che la temperatura all'interno del corpo umano è mantenuta intorno ai 37° C, ma non abbiamo idea se ci sia una grande variazione di temperatura in nanoscala, all'interno delle singole cellule. In un futuro non troppo lontano, ci immaginiamo anche questi nanotermometri a DNA potrebbero essere impiegati in dispositivi elettronici per monitorare la variazione locale di temperatura alla nanoscala.» Immagine in apertura: By Christoph Bock (Max Planck Institute for Informatics) (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons Immagine box: Shutterstock
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