Nuove metodologie per la soluzione di strutture proteiche  (2002)

A cura di: Istituto di cristallografia - IC

Mentre il problema della fase in cristallografia e' definitivamente risolto per le piccole molecole, esso e' ancora una sfida per la cristallografia macromolecolare. Questa e' una delle aree piu' stimolanti delle Scienze Moderne e costituisce lo strumento primario per studi strutturali su sistemi biologici complessi, e per spiegare i meccanismi alla base della vita. Infatti la cristallografia delle macromolecole permette di determinare la struttura cristallina di proteine, acidi nucleici, virus, etc. e fornisce dettagli per la comprensione di una larga varieta' di processi vitali, quali la fotosintesi, la trasmissione delle informazioni ereditarie, delle infezioni virali, etc.
Di primaria importanza per la cristallografia macromolecolare sono i metodi cristallografici per la soluzione delle strutture cristalline: la loro efficacia e' responsabile del successo o del fallimento della ricerca e governa gli aspetti economici delle attivita' (l'innovazione nei metodi puo' accelerare la ricerca, permette di risparmiare mesi-uomo e risorse, migliora la qualita' dei risultati, facilita la creazione di gruppi di ricerca e servizi scientifici).
Generalmente la complessita' molecolare e la bassa risoluzione dei dati sperimentali rendono i dati della sola proteina nativa insufficienti per la soluzione strutturale. Sono percio' utilizzate oltre alle tecniche ab-
initio, quelle denominate SIR (Single Isomorphous Replacement), MIR (Multiple Isomorphous Replacement), SAS (Single Anomalous Scattering), MIRAS (la combinazione delle tecniche MIR with gli effetti di diffusione anomala), MAD (Multiple Anomalous Dispersion) and MR( Molecular Replacement) costituiscono il corpo dei metodi attualmente adoperati per pervenire alla conoscenza delle strutture macromolecolari.

Presentazione della ricerca
La ricerca sviluppata dall'IC ha dato un contributo rilevante in molti dei campi precedentemente illustrati. In particolare:
a) sono state sviluppate tecniche ab-initio che portano i limiti della risoluzione atomica a 1.4Angstrom, estendendo cosi' largamente il numero di strutture trattabili con le tecniche ab-initio;
b) sono state integrate le tecniche SIR-MIR-SIRAS-MIRAS-SAD-MAD con i metodi diretti: questi sono stati resi idonei al trattamento degli errori, sia quelli provenienti dagli esperimenti, che quelli legati al modello strutturale o alla perdita d'isomorfismo. Gli errori sono entrati a far parte, nell'approccio probabilistico, del set di variabili casuali primitive, cosi' come le posizioni atomiche. Il metodo delle joint probability distribution functions e' stato lo strumento matematico usato per la derivazione delle nuove formule.
Le nuove teorie probabilistiche sono state implementate in un package per la risoluzione automatica del problema della fase nelle macromolecole. L'applicazione a parecchi casi reali mostra l'alta efficienza dell'approccio, la sua validita' a fronte degli errori sperimentali, la sua capacita' di fornire automaticamente un sensibile modello strutturale della proteina, praticamente senza l'intervento dell'utente. Il set di programmi costituisce un prezioso strumento per lo sviluppo della genomica e post-genomica e sara' presto messo a disposizione della comunita' scientifica. La ricerca e' al momento finanziata con fondi della dotazione ordinaria del CNR.