IBM E UNIVERSITA' DI ABERDEEN INSIEME PER LA RICERCA BIOLOGICA
In un progetto di ricerca pionieristico, per la prima volta i ricercatori IBM e l’Università di Aberdeen hanno collaborato per “vedere” la struttura di un composto marino estratto dal luogo più profondo della terra, utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM). I risultati del progetto aprono nuove possibilità nella ricerca biologica, che potrebbero portare a uno sviluppo più rapido di nuovi medicinali.
Le conclusioni sono state riportate nell’edizione online del 1 agosto della rivista scientifica Nature Chemistry.
Da secoli gli scienziati sanno che una vasta gamma di risorse uniche – sotto forma di composti chimici – sono presenti nell’ambiente naturale, ad esempio negli oceani e nei deserti, e potrebbero essere impiegate nello sviluppo di nuovi farmaci.
Motivati da questa idea, gli scienziati del Marine Biodiscovery Centre dell’Università di Aberdeen si concentrano in particolare sullo sfruttamento del potenziale degli organismi marini per individuare composti chimici, che potrebbero essere utilizzati per sviluppare nuovi trattamenti per il cancro, le infiammazioni, le infezioni e le malattie parassitarie.
Il professor Marcel Jaspars, direttore del Marine Biodiscovery Centre dell’Università di Aberdeen, spiega: “L’ambiente naturale della terra è ricco di una varietà di organismi unici da cui è possibile derivare numerosi composti chimici, molti dei quali sono del tutto sconosciuti agli scienziati. Questi composti potrebbero essere usati nello sviluppo di farmaci e altri nuovi prodotti biomedici. Tuttavia, per poter sfruttare questo potenziale, dobbiamo prima comprendere la struttura molecolare di questi composti e successivamente stabilire se siano utilizzabili in medicina”.
Trovare i composti
Procurarsi i composti chimici da alcune delle regioni più estreme del pianeta è la prima fase di questo processo. Poi occorre identificare la struttura molecolare di questi composti, per stabilire se siano utilizzabili nello sviluppo di farmaci, si tratta in genere di un processo oneroso in termini di tempo, che nei casi difficili richiede diversi mesi.
Lo scorso anno, gli scienziati del Marine Biodiscovery Centre hanno iniziato a lavorare su una specie di batterio derivato da un campione di fango estratto** dalla Fossa delle Marianne – il luogo più profondo della terra, situato nell’Oceano Pacifico – che ha una profondità di 10.916 metri.
Questo batterio resistente alla pressione – denominato Dermacoccus abyssi – ha prodotto un composto chimico che essi non hanno riconosciuto.
Utilizzando la spettrometria di massa ad alta risoluzione, hanno rapidamente identificato la composizione chimica del composto, ma determinarne l’esatta struttura molecolare è stato più impegnativo. Nemmeno l’uso di tecniche di risonanza magnetica nucleare d’avanguardia consentiva di determinare l’esatta struttura, a causa del piccolo numero di protoni e del posizionamento di certi atomi nel composto.
Gli scienziati si erano ritrovati con quattro potenziali strutture, nessuna delle quale poteva essere esclusa con la sola risonanza magnetica nucleare. L’unica possibilità per trovare la struttura corretta era effettuare una sintesi chimica delle strutture proposte, un compito molto complesso, che può richiedere diversi mesi.
La forza della collaborazione
Alla ricerca di un metodo alternativo, il Professor Jaspars ha contattato gli scienziati IBM di Zurigo che avevano per la prima volta hanno catturato l’“anatomia” o struttura chimica di una molecola organica utilizzando un microscopio AFM*, con la speranza che essi potessero fare altrettanto per il composto estratto dal batterio degli abissi.
Una volta ricevuto il campione da Aberdeen, nel giro di una settimana, i ricercatori IBM sono riusciti a catturare le immagini delle singole molecole con risoluzione atomica, usando una tecnica denominata microscopia a forza atomica senza contatto. Queste immagini, insieme a calcoli della teoria del funzionale della densità, hanno identificato il cephalandole A, che è in realtà noto e isolato originariamente da un’orchidea taiwanese.
“La tecnica dimostra che i microscopi a scansione di sonda possono aggiungere una potente funzionalità nell’identificazione della strutture delle molecole, difficili da ottenere con le tecniche tradizionali”, spiega Leo Gross, scienziato di IBM Research - Zurigo.
L’esperimento è stato il primo utilizzo del microscopio AFM nella determinazione di ciò che inizialmente era una struttura molecolare sconosciuta.
Il Professor Jaspars spiega “Determinare la struttura di un composto sconosciuto è un processo oneroso in termini di tempo, che potrebbe richiedere mesi, quindi la possibilità di ‘vedere’ immediatamente la struttura di un composto chimico, osservandolo semplicemente attraverso un microscopio, è un’impresa straordinaria, che potrebbe portare a un’identificazione molto più rapida di composti sconosciuti e quindi accelerare il processo di sviluppo di nuovi farmaci”.
Nuovi biofarmaci dagli abissi
La natura offre un’enorme varietà di piccole molecole e composti con potenziali applicazioni farmaceutiche. Tali prodotti naturali sono fondamentali per la scoperta di nuovi formaci, poiché presentano strutture chimiche nuove e proprietà biologiche potenti. Gli studi del National Cancer Institute negli Stati Uniti hanno dimostrato che l’ambiente marino – e in particolare le aree remote e in gran parte intatte – è una fonte importante di principi biologicamente attivi nuovi e mai studiati.
La determinazione della struttura di molecole organiche viene effettuata di norma con tecniche spettroscopiche, quali la spettrometria di massa, che definisce la formula molecolare, e la spettroscopia a risonanza magnetica nucleare (NMR), che è la “cugina” molecolare dell’imaging a risonanza magnetica (MRI). Ogni atomo di carbonio e idrogeno in una molecola ha una sequenza definita nello spettro della NMR. Utilizzando varianti sofisticate di questa tecnica, è possibile determinare in che modo gli atomi di idrogeno e carbonio si collegano tra loro, mappando così la struttura molecolare. Tuttavia, quando vi sono pochi atomi di idrogeno nella molecola, come in questo caso, queste tecniche non riescono a produrre una soluzione univoca, vale a dire che servono altri metodi per risolvere il problema.
Lo scorso anno, gli scienziati del Marine Biodiscovery Centre hanno iniziato a lavorare su una specie di batterio derivato da un campione di fango estratto** dalla Fossa delle Marianne – il luogo più profondo della terra, situato nell’Oceano Pacifico – che ha una profondità di 10.916 metri.
Questo batterio resistente alla pressione – denominato Dermacoccus abyssi – ha prodotto un composto chimico che essi non hanno riconosciuto.
Utilizzando la spettrometria di massa ad alta risoluzione, hanno rapidamente identificato la composizione chimica del composto, ma determinarne l’esatta struttura molecolare è stato più impegnativo. Nemmeno l’uso di tecniche di risonanza magnetica nucleare d’avanguardia consentiva di determinare l’esatta struttura, a causa del piccolo numero di protoni e del posizionamento di certi atomi nel composto.
Gli scienziati si erano ritrovati con quattro potenziali strutture, nessuna delle quale poteva essere esclusa con la sola risonanza magnetica nucleare. L’unica possibilità per trovare la struttura corretta era effettuare una sintesi chimica delle strutture proposte, un compito molto complesso, che può richiedere diversi mesi.
La forza della collaborazione
Alla ricerca di un metodo alternativo, il Professor Jaspars ha contattato gli scienziati IBM di Zurigo che avevano per la prima volta hanno catturato l’“anatomia” o struttura chimica di una molecola organica utilizzando un microscopio AFM*, con la speranza che essi potessero fare altrettanto per il composto estratto dal batterio degli abissi.
Una volta ricevuto il campione da Aberdeen, nel giro di una settimana, i ricercatori IBM sono riusciti a catturare le immagini delle singole molecole con risoluzione atomica, usando una tecnica denominata microscopia a forza atomica senza contatto. Queste immagini, insieme a calcoli della teoria del funzionale della densità, hanno identificato il cephalandole A, che è in realtà noto e isolato originariamente da un’orchidea taiwanese.
“La tecnica dimostra che i microscopi a scansione di sonda possono aggiungere una potente funzionalità nell’identificazione della strutture delle molecole, difficili da ottenere con le tecniche tradizionali”, spiega Leo Gross, scienziato di IBM Research - Zurigo.
L’esperimento è stato il primo utilizzo del microscopio AFM nella determinazione di ciò che inizialmente era una struttura molecolare sconosciuta.
Il Professor Jaspars spiega “Determinare la struttura di un composto sconosciuto è un processo oneroso in termini di tempo, che potrebbe richiedere mesi, quindi la possibilità di ‘vedere’ immediatamente la struttura di un composto chimico, osservandolo semplicemente attraverso un microscopio, è un’impresa straordinaria, che potrebbe portare a un’identificazione molto più rapida di composti sconosciuti e quindi accelerare il processo di sviluppo di nuovi farmaci”.
Nuovi biofarmaci dagli abissi
La natura offre un’enorme varietà di piccole molecole e composti con potenziali applicazioni farmaceutiche. Tali prodotti naturali sono fondamentali per la scoperta di nuovi formaci, poiché presentano strutture chimiche nuove e proprietà biologiche potenti. Gli studi del National Cancer Institute negli Stati Uniti hanno dimostrato che l’ambiente marino – e in particolare le aree remote e in gran parte intatte – è una fonte importante di principi biologicamente attivi nuovi e mai studiati.
La determinazione della struttura di molecole organiche viene effettuata di norma con tecniche spettroscopiche, quali la spettrometria di massa, che definisce la formula molecolare, e la spettroscopia a risonanza magnetica nucleare (NMR), che è la “cugina” molecolare dell’imaging a risonanza magnetica (MRI). Ogni atomo di carbonio e idrogeno in una molecola ha una sequenza definita nello spettro della NMR. Utilizzando varianti sofisticate di questa tecnica, è possibile determinare in che modo gli atomi di idrogeno e carbonio si collegano tra loro, mappando così la struttura molecolare. Tuttavia, quando vi sono pochi atomi di idrogeno nella molecola, come in questo caso, queste tecniche non riescono a produrre una soluzione univoca, vale a dire che servono altri metodi per risolvere il problema.
Catturare l’immagine dell’“anatomia” di una molecola
Il microscopio AFM utilizza una punta di metallo affilata, applicata a una piccola molla, per misurare le minuscole forze tra la punta e il campione, come ad esempio una molecola, per creare un’immagine. Per acquisire l’immagine della struttura chimica di una molecola con un AFM è necessario operare in strettissima prossimità della molecola; l’intervallo in cui le interazioni danno contributi significativi alle forze è inferiore a un nanometro. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori IBM hanno aumentato la sensibilità della punta scegliendo deliberatamente una molecola di monossido di carbonio (CO). Una volta sufficientemente vicina al campione, la punta con terminazione in CO è in grado di rilevare forze repulsive minuscole. In questo modo, la punta agisce con una potente lente di ingrandimento e scompone i singoli atomi all’interno della molecola esaminata, rivelandone la struttura chimica su scala atomica.
Note L’articolo scientifico dal titolo “Organic structure determination using atomic-resolution scanning probe microscopy” (Determinazione della struttura organica mediante microscopia a scansione di sonda a risoluzione atomica), di L. Gross, F. Mohn, N. Moll, G. Meyer, R. Ebel, W. M. Abdel-Mageed e M. Jaspars, sèpubblicato online su Nature Chemistry, DOI: 10.1038/NCHEM.765 (1 agosto 2010).
* Lo studio scientifico intitolato “The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy”, di L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth e G. Meyer, è stato pubblicato su Science, Volume 325, Numero 5944, pagg. 1100 - 1114 (28 agosto 2009).
** I campioni originali provenivano dal Prof. Koki Horikoshi, JAMSTEC, Giappone – prelevati utilizzando il sommergibile di profondità, Kaiko.
IBM: www.ibm.com
Il Marine Biodiscovery Centre dell’Università di Aberdeen:
Vedere: http://www.abdn.ac.uk/chemistry/research/biodiscovery
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