Due docenti di Chimica di Ca' Foscari, Achille Giacometti e Patrizia Canton, ci spiegano il Nobel 2017 per la Chimica, assegnato ai padri della crio-microscopia elettronica.
«Il primo premio per la Chimica fu assegnato nel 1901 all’olandese Jacobus Van’t Hoff “per la formulazione delle leggi della dinamica chimica e della pressione osmotica nelle soluzioni”. Premio assai meritato per l’impatto che il lavoro di Van’t Hoff ha avuto nello sviluppo della Chimica come disciplina basata su un rigore scientifico e metodologico che prima non possedeva. L’ Olanda, che tutt’ora mantiene la leadership in queste tematiche, gli ha dedicato un Istituto piuttosto prestigioso presso l’ Università di Amsterdam che porta ancora il suo nome.
Da allora, il mondo è cambiato parecchio, e anche la Chimica si è evoluta trasformandosi in una scienza pervasiva, nella sua accezione positiva, che combina conoscenza e tecnologia in un approccio multidisciplinare mirato alla soluzione di problemi la cui complessità ha raggiunto livelli che, probabilmente, lo stesso Alfred Nobel non avrebbe mai immaginato.
Il premio per la Chimica del 2017 rappresenta un meraviglioso esempio di tale complessità, ed è andato a tre pionieri di una tecnica, denominata cryo-electron microscopy: Jacques Dubochet dell’Università di Losanna, Joachim Frank della Columbia University, e Richard Henderson, del Medical Research Council Laboratory for Molecular Biology di Cambridge (UK). Essi vanno ad aggiungersi alla folta schiera di premi Nobel assegnati nelle edizioni passate ad eminenti studiosi che hanno lavorato su ricerche inerenti la visualizzazione e la comprensione della struttura cristallina delle proteine e di altri complessi biologici.
Vediamo di capire un po’ meglio di cosa si tratta.
Il microscopio elettronico è uno strumento noto da parecchi anni la cui importanza in ambito pluridisciplinare è stata riconosciuta dal premio Nobel (per la Fisica) assegnato nel 1986 a Ernst Ruska e condiviso con Gerd Binning e Henrich Rohrer (per la parte inerente alla microscopia a scansione ad effetto tunnel). Il suo principio è simile a quello ottico, nel quale si utilizzano onde luminose (fasci di fotoni) che, messe a fuoco dalle lenti del microscopio, permettono di osservare anche oggetti così piccoli da essere invisibili ad occhio nudo. Il limite del microscopio ottico è causato dalla natura stessa delle onde luminose impiegate, che permettono la visione solo di oggetti fino a dimensioni confrontabili con quelli delle lunghezze d’onda della radiazione visibile dall’occhio umano, comprese quindi nella regione tra i 400 e i 750 nanometri (1 nanometro=10-9 metri); al di sotto e al di sopra di questo intervallo si trovano rispettivamente le regioni dell’ultravioletto (UV), e dell’infrarosso (IR).
Ruska osservò che anche gli elettroni possono essere utilizzati come fasci “luminosi” per vedere la materia, con il grosso vantaggio in questo caso che la lunghezza d’onda a loro associata era molto più piccola di quella dei fotoni permettendo quindi di “vedere” oggetti molto più piccoli. Binning e Rohrer fecero l’ ulteriore passo avanti di usare il cosiddetto “effetto tunnel” quantistico, cioè la capacità degli elettroni di superare anche delle barriere di potenziale non superabili da particelle classiche, per arrivare alla versione più avanzata di microscopio elettronico che permette di arrivare quasi alle dimensioni atomistiche, in cui la scala caratteristica è l’ Ångström pari a 10-10 metri (pari a un decimo di miliardesimo di metro). Oggi questi strumenti sono impiegati come preziosi “occhi” che permettono a laboratori di tutto il mondo - compreso quello di Ca’ Foscari, che ospita tre microscopi elettronici all’interno del Centro di Microscopia elettronica “G. Stevanato” del Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi - di indagare e capire i misteri dei nanomateriali.
Se si possono vedere gli atomi, perchè non si possono vedere i sistemi biologici, che tipicamente sono molto più grandi? Definire le dimensioni di una proteina o un virus è molto meno semplice di quanto sembri, ma diciamo che le dimensioni caratteristiche per questi sistemi vanno da pochi nanometri per le piccole proteine, alle decine per i virus fino alle decine di micrometri (1 micrometro= 10-6 metri) per i batteri. Quindi dove sta il problema?
Per capirlo facciamo un passo indietro nel tempo per passare dai sistemi inanimati ai sistemi biologici.
Nel 1962 Max Peruz e John Kendrew ottennero il Premio Nobel per la Chimica per aver determinato la struttura (l’ esatta sequenza degli amminoacidi) della mioglobina e della emoglobina mediante i raggi X, che sono anch’ esse onde elettromagnetiche (e cioè un fascio di fotoni) ma con lunghezza d’ onda molto più piccola, confrontabile con la dimensione degli atomi. In sostanza, si proietta tale fascio su un campione e si ricostruisce la struttura del campione stesso dalla figura di diffrazione così ottenuta. Molti anni prima, nel 1915, i Bragg (padre e figlio) vinsero il premio Nobel per la Fisica per aver messo a punto questo sistema per i normali cristalli, e Bragg figlio, William Laurence, fu colui che insegnò tale tecnica a Max Peruz. Da allora, la cristallografia a raggi X divenne uno dei metodi principali, assieme alla risonanza magnetica nucleare, per determinare la struttura delle proteine. La principale limitazione della cristallografia a raggi X sta nella necessità di avere il campione sotto forma di una struttura cristallina sufficientemente grande; questo è talvolta possibile, ma non nella stragrande maggioranza dei sistemi biologici, per i quali si deve quindi ricorrere al microscopio elettronico che non soffre di questa limitazione. Tuttavia, l’impiego del microscopio elettronico su sistemi biologici comporta due grossi ostacoli da superare. Primo, l’uso degli elettroni è fortemente invasivo e quindi può portare ad un danno irreversibile dei campioni biologici. Il secondo ostacolo è legato al fatto che si possono ottenere sostanzialmente solo immagini bidimensionali dei campioni, mentre l’informazione principale sta nella loro struttura tridimensionale. A questi due ostacoli se ne somma un altro, che è quello legato alla necessità di preservare l’acqua all’interno dei campioni biologici impedendone la sua evaporazione una volta inseriti all’interno del microscopio. Il merito di Dubochet, Frank e Henderson, sta nell’aver inventato una tecnica, la crio-microscopia elettronica appunto, in cui tutti questi ostacoli vengono superati. L’idea è quella di abbassare la temperatura in modo molto rapido - usando l’ azoto liquido, un po’ come si fa per il gelato molecolare - per evitare la cristallizzazione dell’acqua e formarne invece una forma “vetrosa” che rimane stabile durante la misura e riduce la sua evaporazione. Questo permette di formare un cristallo di tanti campioni identici dello stesso sistema biologico, per esempio un virus, stabilizzato da tale struttura vetrosa. Usando poi una ricostruzione tomografica tridimensionale a partire da tante immagini bidimensionali dello stesso sistema ruotate rispetto ad uno stesso asse, è poi possibile ricostruire l’intera immagine tridimensionale, in questo caso del virus, con una risoluzione che oramai arriva a livello quasi atomico (si vedono cioè i vari atomi che compongono la struttura).
A cosa serve in termini pratici? Quando nel 2015 scoppiò l’allarme pandemia del virus Zika, i ricercatori utilizzarono appunto la crio-microscopia elettronica, e con questa tecnica ottennero in pochi mesi la struttura del virus. Fu appunto la conoscenza di tale struttura che rese poi possibile lo sviluppo di farmaci adatti a fermarne la diffusione. Per usare le stesse parole dei membri dell’Accademia Svedese che li ha premiati, grazie al loro lavoro “è adesso possibile esplorare ogni più recondito angolo di una cellula”, rendendo pertanto realisticamente realizzabile l’affascinante viaggio immaginario nel corpo umano presentato in televisione qualche anno fa da Piero Angela nel corso di una puntata di SuperQuark. Da parte nostra, a Ca’ Foscari proponiamo un viaggio simile all’ interno del Corso di Laurea Magistrale in Bio e Nanomateriali.»
Prof. Achille Giacometti e Prof.ssa Patrizia Canton, Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi
