Fisica della materia soffice

Com’è noto, l’esatto meccanismo molecolare che guida il ripiegamento delle proteine (protein folding) è uno dei problemi fondamentali ancora irrisolti nella biochimica, nonostante gli enormi progressi fatti negli ultimi anni, anche grazie ai moderni metodi teorico-computazionali che spesso guidano gli esperimenti.

Usando tali tecniche, il nostro gruppo studia alcuni aspetti interessanti della termodinamica di questo processo.

Alcuni sistemi, si ordinano spontaneamente per massimizzare la loro entropia, sfatando in tal modo l’errata identificazione dell’entropia come una misura del disordine. Un famoso esempio di tale sistema è dato dal Tobacco Mosaic Virus (TMV), il primo virus scoperto in assoluto. A livello molecolare, tale virus ha una capside di forma cilindrica, formata da oltre 2000 proteine identiche che rivestono una lunga molecola di RNA. A causa del loro alto aspect ratio, un insieme di TMV in soluzione tendono  ad orientarsi tutti lungo la stessa direzione, pur mantenendo un disordine posizionale, secondo una fase nota come fase nematica. 

Nella forma di doppia elica, il DNA è un polimero carico e poco flessibile. Ciò nonostante, è possibile farlo condensare mediante agenti condensanti, in modo che diversi oligomeri stiano localmente paralleli gli uni agli altri. A causa della loro rigidità, essi formano tipicamente delle fasi toroidali o a bastoncino (come quelle mostrate in figura). Il nostro gruppo ha studiato tale transizione e le condizioni a cui avviene in funzione dei parametric termodinamici e strutturali del sistema.

Usando simulazioni al computer, basate sul modello coarse-grained oxDNA, investighiamo le proprietà termodinamiche e cinetiche di sistemi di DNA sintetico.

Per sistemi piccoli, oxDNA consente di studiare quantitativamente I profili di energia libera, le velocità e le traiettorie e assemblaggio. L'esempio riportato illustra il rilassamento di un duplex formato da due strand con struttura secondaria molto forte.

Per sistemi più grandi, usando simulazioni su GPU oxDNA consente di studiare la formazione di construtti di molti strand, così come le proprietà meccaniche delle strutture risultanti.

In biologia le membrane giocano un ruolo fondamentale nel tener separati alcuni ambienti della cella che non devono stare a contatto con l’acqua. A livello molecolare, questo si ottiene usando dei surfattanti, cioè delle molecole con una testa polare (che ama stare in contatto con l’acqua) e una coda idrofobica (che invece non la ama). Quando tante molecole di questo tipo vengono a contatto con l’acqua, tendono ad aggregarsi parallelamente le una alle altre e creare un doppio strato, all’interno del quale l’acqua viene esclusa. Ma cosa succederebbe in un solvente che non sia l’acqua, come potrebbe avvenire in altri pianeti? Il nostro gruppo, in collaborazione con altri gruppi sperimentali di Ca’ Foscari, sta seguendo questo progetto.