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Seguire in ‘live’ il ripiegamento delle proteine

Il risultato dello studio rivela l’esistenza di una complessa rete di stati cinetici e strutturali intermedi, alcuni dei quali vengono prontamente corretti, prima di arrivare alla forma funzionale definitiva


Manipolare una singola molecola proteica, afferrarne gli estremi per estenderla e per studiarne il processo di ripiegamento: non è fantascienza ma quanto sono riusciti a fare i fisici della Technische Universitaet Muenchen (TUM), aprendo una nuova finestra sulla vita delle cellule biologiche.

Il risultato, riportato sulla rivista Science, rivela l’esistenza di una complessa rete di stati cinetici e strutturali intermedi, alcuni dei quali vengono prontamente corretti, prima di arrivare alla forma funzionale definitiva. Una migliore comprensione di questo processo è ritenuta essenziale per un migliore approccio, anche terapeutico, a patologie come Alzheimer e Parkinson.

La sperimentazione si è focalizzata sulla proteina calmodulina, non implicata in queste gravi patologie, ma che riveste un ruolo importante in molti processi biologici. Le funzioni, così come i deficit funzionali delle proteine, sono in gran parte determinati dalla loro struttura.

Mentre le analisi strutturali effettuate con i raggi X offrono istantanee del processo di ripiegamento, la spettroscopia di singola molecola, un approccio messo a punto da Matthias Rief e colleghi del dipartimento di fisica della Tuft, produce invece immagini che vanno a costituire una sorta di ripresa filmata.

Sebbene si tratti di filmati molto sfocati, che in definitiva permettono di ricavare solo la lunghezza di una molecola, consentono ai ricercatori di studiare la dinamica dei processi di ripiegamento.

In quest’ultimo studio sono state utilizzate pinze ottiche (optical tweezer), strumenti in grado di intrappolare minuscoli oggetti tra opposti fasci laser. Per tenere ferma la molecola di calmodulina, i ricercatori la hanno in primo luogo inserita tra due molecole di una proteina meccanicamente più rigida denominata ubiquitina. I residui dell’aminoacido cisteina e le estremità esterne della cisteina di questo sistema hanno permesso il legame con due “staffe” costitute da DNA, poi fissate a perline di vetro di un micrometro di diametro.

Le staffe, e quindi la molecola di calmodulina tra di esse, possono così essere manipolate con le pinze ottiche. L’esperimento si svolge essenzialmente tirando un singolo estremo della molecola di calmodulina finché non si estende, diminuendo poi la tensione in modo che possa tornare a ripiegarsi. In questa fase, vengono condotte con estrema precisione le misurazioni della lunghezza della proteina, le forze meccaniche e i relativi tempi. Nonostante ciò, la molecola di calmodulina veniva mantenuta in condizioni non molto differenti da quelle presenti all’interno della cellula, ovvero una soluzione acquosa con una concentrazione di ioni calcio in grado di favorire il ripiegamento stabile.

I risultati indicano che distinti sotto-domini della molecola di calmodulina si ripiegano indipendentemente mentre ancora interagiscono gli uni con gli altri, a volte cooperando e a volte interferendo tra loro. Lungi dall’essere un semplice processo a due stati, il ripiegamento della molecola di calmodulina ha luogo attraverso una complessa rete di cammini in quello che è detto il suo ‘panorama energetico’ ”, ha spiegato Rief. “Questa mappa di stati cinetici e cammini tra differenti forme ripiegate include binari morti e strutture intermedie che successivamente devono essere smantellate, prima che la proteina possa assumere una forma che le consenza la piena funzionalità.”

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