I batteri e i sistemi biologici hanno svariati meccanismi per rispondere
alle perturbazioni causate dall'ambiente circostante. Gli stress possono
essere di vario genere, chimico, biologico e fisico. Recentemente sono
stati identificati i meccanismi con cui le cellule riescono a "sentire" le
forze fisiche provenienti dall'ambiente circostante. Alla base di questi
meccanismi si trovano delle proteine-canale di membrana che possono
aprirsi e chiudersi in risposta a diversi stimoli esterni come tocco,
suono, gravità, variazioni di osmolarità etc. I Mechanosensitive Channels
of Large Conductance (MscL) sono le proteine di membrana meglio
caratterizzate che giocano un ruolo fondamentale nella difesa della
cellula. I MscL formano un canale all'interno della membrana cellulare,
che si apre e chiude, favorendo o sfavorendo rispettivamente, il passaggio
di effluenti dall'esterno all'interno della cellula (o vicecersa). La loro
struttura tridimensionale, risolta da D. Rees (Science 1998), è riportata
in Figura 1. La proteina è costituita da unità ripetitive e si trova nella
sua forma chiusa. La domanda fondamentale per capire il modo in cui le
cellule interagiscono fisicamente con l'ambiente circostante è: qual è il
meccanismo con cui il canale si apre lasciando passare effluenti
all'interno della cellula? A questa domanda si può rispondere simulando a
livello computazionale con i metodi della dinamica molecolare
l'applicazione diretta di forze alla proteina in un intorno realistico.
La dinamica molecolare è una tecnica che permette di seguire l'evoluzione
nel tempo di sistemi microscopici, ottenendone una rappresentazione con
dettaglio atomico. Con parametri opportuni si definiscono le interazioni
tra atomi del sistema, e l'evoluzione avviene secondo le leggi della
meccanica classica.
Abbiamo quindi costruito un sistema modello costituito dalla proteina
nella forma chiusa, da un modello della membrana cellulare e del solvente
acquoso circostante (Figura 2). Il sistema è stato fatto evolvere in
presenza di forze di stretching agenti sulla membrana ed in assenza di
queste, allo scopo di investigare le fasi iniziali del meccanismo di
apertura del canale. L'analisi delle varie simulazioni ha permesso di
ottenere una rappresentazione atomica del meccanismo di apertura, in cui,
a causa dell'applicazione di tensione esterna, due delle eliche esterne si
aprono, lasciando lo spazio per il posizionamento di una delle eliche
interne. Il risultato netto è un allargamento dell'apertura del canale
(Figura 3) ed il passaggio di acqua da una parte all'altra della membrana
(Figura 4).
Questo lavoro, che ha richiesto un uso intensivo di metodi di
parallel computing e di tempo macchina, ha permesso di chiarire il
meccanismo con cui avviene l'apertura di questi canali e di definire il
modo in cui i sistemi biologici possano rispondere agli stress ambientali.
Gli sviluppi futuri prevedono di utilizzare questi modelli per la
costruzione di nanostrutture capaci di rispondere selettivamente a stress
meccanici esterni, e per la realizzazione di mutanti ad attività
differente rispetto a quella delle proteine native. La ricerca è stata il
frutto di una collaborazione tra l'ICRM-CNR e il gruppo di MD
dell'università di Groningen, ed è stata possibile grazie a finanziamenti
CNR e dell'Unione Europea.
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