Quasi tutti i processi chimici, sia in natura sia in laboratorio, dipendono dal riconoscimento selettivo tra molecole. È fondamentale che il riconoscimento molecolare sia selettivo. Ad esempio, un legame sbagliato di un substrato con un enzima o errori nell’accoppiamento delle basi nel DNA possono causare malattie. Da tempo gli scienziati cercano di migliorare il riconoscimento molecolare per migliorare le prestazioni in alcuni settori strategici. Tra questi la farmacologia, la sensoristica e la scienza dei materiali.
Un team di ricerca coordinato dalle università di Padova e Roma Tor Vergata, in collaborazione con l’americana Northwestern University, ha pubblicato un interessante studio su “Nature Nanotechnology”. Dal titolo “An information ratchet improves selectivity in molecular recognition under nonequilibrium conditions”, lo studio apre nuove prospettive. Propone, infatti, un nuovo metodo per migliorare il riconoscimento tra due filamenti di DNA e ridurre gli errori di accoppiamento.
Riconoscimento molecolare: garantire un livello adeguato di selettività
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Da sempre i chimici sfruttano il riconoscimento molecolare per lo sviluppo di catalizzatori, farmaci, sensori e materiali. Di solito, la selettività di questo riconoscimento è garantita da una complementarità nella forma e nella struttura chimica delle due molecole. Tuttavia, in alcuni processi biologici, la sola complementarità non è sufficiente a garantire un livello adeguato di selettività.
Durante la replicazione del DNA, ad esempio, ogni filamento deve riconoscere correttamente fino a miliardi di unità fondamentali. Ed ogni errore può causare mutazioni che possono portare a tumori. Per aumentare la fedeltà nella replicazione, in natura esistono diversi enzimi specializzati che eseguono una correzione cinetica (kinetic proofreading) per individuare e rettificare gli errori.
Lo studio condotto dalle università di Padova e Roma Tor Vergata si è incentrato su un nuovo modo per migliorare il riconoscimento tra due filamenti di DNA. E ha prodotto importanti risultati. L’accuratezza passa dal 67% all’86% e si apre la strada alla realizzazione di catalizzatori, sensori e materiali con migliori prestazioni.
Una nuova tecnica imita il processo di correzione cinetica enzimatica
«Abbiamo preso a modello questa strategia della natura. E con questa nuova tecnica che imita il processo di correzione cinetica enzimatica possiamo rettificare gli errori di legame tra brevi filamenti di DNA». Così Leonard Prins del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova e Francesco Ricci del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche dell’Università di Roma Tor Vergata. «La procedura si basa su un meccanismo chiamato information ratchet utilizzato in passato per realizzare dispositivi come motori e pompe molecolari. Con questo processo, la selettività nel riconoscimento tra filamenti di DNA aumenta sensibilmente passando dal 67% all’86%».
La scoperta offre una nuova prospettiva sull’origine della vita
Dalla scoperta, tuttavia, scaturiscono altri rilevanti risultati.
«Rispetto alla correzione cinetica, tale sistema non richiede enzimi complessi perché possiamo agire in maniera mirata sul DNA stesso. Questa scoperta – aggiungono i due ricercatori – apre a nuove opportunità per progettare catalizzatori più efficienti, sensori molecolari altamente sensibili e materiali innovativi. Offre, inoltre, una nuova prospettiva sull’origine della vita. Suggerisce, infatti, che molecole primitive potrebbero aver usato meccanismi simili per trasmettere fedelmente l’informazione genetica prima dell’evoluzione di enzimi complessi», concludono i coordinatori della ricerca.