Ogni grande struttura, dall'Empire State Building al Golden Gate Bridge, dipende da specifiche proprietà meccaniche per rimanere forte e affidabile. La rigidità di un materiale è di particolare importanza per il mantenimento della solidità e funzionalità di tutto, dagli edifici colossali alle minime strutture di scala nanometrica.

Nelle nanostrutture biologiche, come le reti di DNA, è stato finora difficile misurare la durezza, che è essenziale per le loro proprietà e funzioni. Ma scienziati del California Institute of Technology (Caltech) hanno recentemente messo a punto tecniche per visualizzare il comportamento di nanostrutture biologiche nello spazio e nel tempo, permettendo loro di misurarne direttamente la rigidità e mapparne la variazione all'interno della rete.

Usando gli elettroni nel microscopio, sono stati tagliati diversi filamenti di DNA dalla pellicola di carbonio (a sinistra) in modo da raggiungere una struttura tridimensionale e autoportante al microscopio 4D (a destra). (Credit: Zewail & Lorenz/Caltech)

Il nuovo metodo è descritto nell'edizione del 4 Febbraio, dei Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). "Questo tipo di visualizzazione ci sta portando dentro settori delle scienze biologiche mai esplorate prima", dice il premio Nobel Ahmed Zewail, professore Linus Pauling di chimica e professore di fisica al Caltech, coautore dello studio assieme a Ulrich Lorenz, studioso post-dottorato del laboratorio di Zewail. "Stiamo fornendo la metodologia per scoprire -direttamente- la rigidità di una rete biologica con proprietà su scala nanometrica".

Conoscere le proprietà meccaniche delle strutture di DNA è essenziale per creare robuste reti biologiche, tra le altre applicazioni. Secondo Zewail, questo tipo di visualizzazione della biomeccanica nello spazio e nel tempo dovrebbe essere applicabile allo studio di altri nanomateriali biologici, compresi i raggruppamenti di proteine anormali che sono alla base delle malattie come l'Alzheimer e il Parkinson.

Zewail e Lorenz hanno potuto vedere, per la prima volta, il movimento di nanostrutture di DNA nello spazio e nel tempo usando il microscopio elettronico quadridimensionale (4D) sviluppato al Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology del Caltech, diretto da Zewail, che lo ha creato nel 2005 per promuovere la comprensione della fisica fondamentale del comportamento chimico e biologico.

"In natura, il comportamento della materia è determinato dalla sua struttura (la disposizione dei suoi atomi nelle tre dimensioni dello spazio), e dal modo in cui la struttura cambia con il tempo, la quarta dimensione", spiega Zewail. "Se si guarda un cavallo al galoppo al rallentatore, è possibile seguire il tempo dei passi, e si può vedere in dettaglio, per esempio, ciò che ogni gamba sta facendo nel corso del tempo. Quando scendiamo alla scala nanometrica, questa è un'altra storia: abbiamo bisogno di migliorare la risoluzione spaziale del cavallo di un miliardo di volte, per visualizzare ciò che sta accadendo".

Zewail è stato insignito del Premio Nobel 1999 per la Chimica per lo sviluppo della femtochimica, che utilizza impulsi laser ultracorti per osservare le reazioni chimiche fondamentali che si verificano nella scala temporale del femtosecondo (un milionesimo di miliardesimo di secondo). Sebbene la femtochimica possa catturare atomi e molecole in movimento aggiungendo la dimensione temporale, non può mostrare contemporaneamente le dimensioni dello spazio, e quindi la struttura del materiale. Questo è perché utilizza la luce laser con lunghezze d'onda che vanno ben oltre la dimensione di una nanostruttura, rendendo impossibile risolvere e visualizzare dettagli in nanoscala di piccole strutture fisiche come il DNA.

Per superare questo ostacolo importante, il microscopio elettronico 4D impiega un flusso di elettroni singoli che disperdono oggetti e producono un'immagine. Gli elettroni sono accelerati a lunghezze d'onda di picometri, o trillioni (milione di milioni) di metro, consentendo di visualizzare la struttura nello spazio con una risoluzione mille volte superiore a quella di una nanostruttura, e con una risoluzione temporale di femtosecondi o di più. Gli esperimenti riportati in PNAS sono iniziati con una struttura creata tendendo del DNA sopra un foro incorporato in un film sottile di carbonio. Usando gli elettroni nel microscopio, sono stati tagliati diversi filamenti di DNA dalla pellicola di carbonio in modo da ottenere una struttura tridimensionale e autoportante sotto il microscopio 4D.

Successivamente, gli scienziati hanno impiegato il calore del laser per suscitare oscillazioni nella struttura del DNA, che sono state visualizzati mediante gli impulsi elettroni come funzione del tempo, la quarta dimensione. By observing the frequency and amplitude of these oscillations, a direct measure of stiffness was made. La misura diretta della rigidità è stata ottenuta osservando la frequenza e l'ampiezza di queste oscillazioni. "E' stato sorprendente riuscire a farlo con una rete complessa", dice Zewail. "Eppure tagliando e sondando, siamo riusciti ad entrare in una area selettiva della rete e conoscere il suo comportamento e proprietà".

Usando la microscopia elettronica 4D, il gruppo di Zewail ha cominciato a visualizzare i grumi di proteine chiamate amiloidi, che sono considerate protagoniste di molte malattie neurodegenerative, e stanno continuando lo studio delle proprietà biomeccaniche di queste reti. Egli dice che questa tecnica può potenzialmente essere applicata in termini generali non solo ai gruppi biologici, ma anche nella scienza dei materiali delle nanostrutture.

I finanziamenti per la ricerca delineata nel documento PNAS, sono stati forniti dal National Science Foundation e dall'Ufficio dell'Air Force della ricerca scientifica. Il Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology del Caltech è sostenuto dalla Gordon and Betty Moore Foundation.

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Fonte: Materiale del California Institute of Technology. Articolo originale scritto da Katie Neith.

Riferimento: UJ Lorenz, AH Zewail. Biomechanics of DNA structures visualized by 4D electron microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; DOI: 10.1073/pnas.1300630110.

Pubblicato in Science Daily il 11 Febbraio 2013 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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