Stiamo cercando di capire come funzionano le piccole macchine biologiche

Con un po’ di immaginazione, il DNA è molto simile a una corda attorcigliata: una lunga e flessibile stringa di fili intrecciati. Puoi afferrare, allungare e ruotare una corda. Ciò è possibile anche con un filamento di DNA, sebbene questo filamento sia un miliardo di volte più piccolo. Fa parte del lavoro. Hai anche bisogno di piccole pinzette per questa piccola catena.

Un lavoro così delicato è la specialità di Nynke Dekker (1971), professore di biofisica molecolare al Kavli Institute for Nanoscience della TU Delft. Realizza lei stessa l’intricata attrezzatura per catturare le singole molecole di DNA. Lo riceverai a fine maggio Premio Olandese di Fisica, per il suo innovativo metodo di ricerca su scala nanometrica. “Gli ingegneri meccanici capiscono le grandi macchine”, afferma Decker. Stiamo cercando di capire come funzionano le piccole macchine biologiche. Tutto è possibile in biologia, ora l’ho scoperto.”

Cosa ti affascina in questo campo?

“All’inizio di questo secolo, gli scienziati stanno acquisendo sempre più controllo sulle molecole biologiche, e puoi fare test sempre più rigorosi. Ho pensato che sarebbe stato bello come fisico far parte di quel movimento. I fisici erano una cosa separata all’epoca, ossessionati dalla costruzione dei loro nuovi strumenti, ma alla fine ci siamo rivelati utili, e poi ci siamo in parte immersi nella biologia.

“Questo è anche ciò che rende questo campo così interessante, è così interdisciplinare. Oltre ai fisici dell’hardware, abbiamo bisogno di biochimici per purificare e caratterizzare le proteine ​​e programmatori per analizzare i dati. In questo modo, un team può ottenere ciò che nessun individuo può ottenere da solo. Nuovi sviluppi emergono da questo campo, come la microscopia a super risoluzione o nuovi metodi di sequenziamento del DNA”.

Poiché si tratta di un processo biologico così critico, siamo interessati a come funziona su scala nanometrica

La biofisica molecolare è l’apice. Cosa fai come biofisico molecolare?

In realtà due cose: progettiamo strumenti con i quali possiamo guardare le singole molecole. Quindi lo usiamo per imparare cosa fanno queste molecole. In realtà stiamo ponendo domande biologiche, alle quali rispondiamo da una prospettiva fisica. Il mio interesse risiede nella replicazione del DNA, nella trascrizione del DNA. Il meccanismo che c’è dietro è stato studiato da tempo dalla biochimica: quali proteine ​​sono coinvolte? Dal punto di vista della biofisica, dai un’occhiata sotto il cofano. Come si muovono tutte queste proteine? “

Perché vuoi sapere in dettaglio come funziona la clonazione del DNA?

“Se il complesso proteico, il complesso proteico che regola la replicazione del DNA, non è adeguatamente assemblato o trasportato, allora il DNA non viene trascritto correttamente. Allora hai un problema. Poiché è un processo biologico così critico, siamo interessati a come funziona su nanoscala. Poiché misuriamo ogni singolo individuo, possiamo ottenere un’immagine dell’intero apparato trascrizionale al lavoro, con una risoluzione molto elevata”.

Come si fa, misurazioni su singole particelle?

Misuriamo il numero di proteine, la loro velocità e dove si muovono. Questo può essere fatto, ad esempio, attaccando adesivi luminosi sulle tue proteine. Usando un microscopio a fluorescenza, puoi seguire come si muovono sul DNA e visualizzarli su scala nanometrica.

“Misuriamo anche le forze. Quale effetto ha la forma del DNA, cioè la lunghezza o la torsione, su come funziona la proteina? Prendiamo ad esempio un motore proteico che si muove sul DNA. Esercita una forza sul filamento. Se eserciti anche una forza nella direzione opposta sul DNA, puoi misurare quanto è forte quella proteina. Lo facciamo usando delle pinzette magnetiche, tra le altre cose”.

Progettiamo i nostri strumenti secondo i nostri desideri, in modo da poter misurare esattamente ciò che vogliamo misurare

Decker si dirige verso il laboratorio, scende un’ampia scalinata e attraversa corridoi bianchi. “A volte mi perdo qui, perché non ci sto molto. Trascorro più tempo nel mio ufficio”. Una porta che conduce a una stanza senza luce diurna. Una grande scatola di vetro circondata da una tenda si trova su un robusto tavolo. Ha una disposizione che mostra molte somiglianze con un microscopio. Dove si trova normalmente l’obiettivo, c’è un magnete.

“In realtà è molto semplice. C’è del DNA su una piastra sotto quei magneti. Attacchi un’estremità della corda alla piastra di vetro e l’altra a una bobina magnetica. I magneti sopra attirano quelle sfere, che creano una forza sul DNA . Usando il motore possiamo spostare il magnete verso l’alto.” E verso il basso e ruotare, il che provoca l’allungamento o la rotazione del DNA. Questo, a sua volta, influisce sul funzionamento delle proteine.”

Questa configurazione sembra essere autocostruita.

“Beats. Prima costruivamo tutti gli strumenti da soli, ora stimerei il 60 percento. Progettiamo i nostri strumenti in base ai nostri desideri, in modo da poter misurare esattamente ciò che vogliamo misurare. All’inizio, ci sono voluti mesi per progettare le pinzette magnetiche. Ora è più un set di costruzioni Lego. Ne costruiremo uno.” entro poche settimane.

Lo abbiamo usato di recente nella nostra ricerca sui virus. Hanno bisogno solo di una proteina di replicazione, la polimerasi, che rende gli esperimenti relativamente semplici. Abbiamo studiato come gli inibitori del virus ostacolano tale polimerasi a livello molecolare, permettendoci di identificare un punto debole nel meccanismo di replicazione. Sulla base di questa intuizione, altri scienziati potrebbero progettare inibitori per ridurre il numero di virus.

Non sono un ingegnere Scopri come funziona l’ultima caffettiera

“Abbiamo sette di quelle pinzette magnetiche qui, ma ironicamente non ne usiamo nessuna in questo momento. Questo perché negli ultimi anni abbiamo studiato principalmente la rigenerazione cellulare con il nucleo cellulare. Non è costituito da una proteina, ma a almeno quindici. Spesso va storto. In questa impostazione: con questa impostazione, non puoi sapere se gli elementi sono raggruppati correttamente. Le proteine ​​possono sempre aderire all’immagine, quindi l’esperienza non funzionerà più per te.

Questo è il motivo per cui ora stiamo lavorando di più con la microscopia a fluorescenza. Di recente l’abbiamo usato per mappare l’azione dell’elica: un complesso proteico che decomprime il DNA in modo che possa essere copiato. Il nostro obiettivo finale è capire come funziona la compensazione nel suo complesso. Hai bisogno di tecniche sofisticate per questo. Ecco perché presto incorporeremo la microscopia a fluorescenza nelle pinzette magnetiche».

Trovi le macchine su scala “ordinaria” interessanti quanto le macchine su scala nanometrica?

“No, non sono un ingegnere che ha capito come funziona l’ultima macchina da caffè. Sono sempre stato affascinato dal piccolo. Non posso dare una ragione logica per questo, ma su questa piccola scala la macchina sembra più gestibile”.