Macchine Molecolari Naturali, Parte 3: Una fabbrica dentro le cellule

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

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Vedi i “link correlati” riportati in basso.

Ora iniziamo ad avere una vaga idea di cosa siano i sistemi supramolecolari ma un esempio renderà tutto più semplice. Avete mai sentito la parola enzima? Sono sicuro di sì, almeno in qualche documentario o giornale scientifico di divulgazione per amatori. Ma cosa sono esattamente gli enzimi? Se li avessimo davanti agli occhi, ingranditi nel mondo macroscopico, cosa vedremmo?

In sostanza gli enzimi sono sistemi supramolecolari molto complessi, dei veri e propri “macchinari” posizionati all’interno delle cellule al fine di soddisfare i bisogni delle cellule stesse. Si tratta di veri macchinari fatti di molecole le quali compiono movimenti meccanici sotto l’azione dell’energia chimica (o, come vedremo nei prossimi articoli, dell’energia elettrica o di quella luminosa). Questi movimenti meccanici possono essere semplici, come rotazioni o spostamenti lineari, oppure possono essere complessi e tra loro interconessi al fine di eseguire cambiamenti di forma, sequenze ordinate di movimenti, spostamenti, reazioni, trasformazioni, trasduzioni, scambi, ecc..

Si assolvono così funzioni quali ad esempio:
compiere reazioni chimiche per trasformare delle molecole in altre utili alla vita;
trasportare materiale molecolare;
copiare ed effettuare operazioni di trasduzione del codice genetico nelle proteine;
scambiare informazioni con altre cellule;
compiere movimenti macroscopici (come l’estensione e la contrazione dei tessuti muscolari);
permettere al cervello di pensare.

Tutte conseguenze di movimenti che avvengono a livello molecolare grazie a macchinari composti da mattoncini di molecole che possono interagire tra loro come i macchinari di una grande fabbrica automatizzata.

Pertanto le Macchine Molecolari Naturali (o Bionanomacchine) sono dei macchinari meccanico-chimici più noti con il nome di Enzimi. Un enzima è una proteina con capacità avanzate, nella fattispecie con la capacità di formare un complesso supramolecolare (quindi un macchinario) con una molecola più piccola per poi modificarla (e ricavarne un prodotto finito con precise funzioni richieste dalla cellula).
A sua volta una proteina è un assieme di molecole costituite da catene ripetitive (quindi modulari) di aminoacidi, quest’ultimi possono essere presenti in poche unità fino a migliaia a seconda delle funzioni per le quali vengono assemblati.
Ogni molecola ha la particolarità di contenere al suo interno tutte le informazioni sulle sue caratteristiche (come una sorta di libretto contenente tutte le “specifiche di fabbrica” che permettono di capire, a chi vi si avvicina, cosa tale molecola può fare e come); pertanto ogni molecola ha precise proprietà che possono essere richiamate quando interagisce con altre molecole o quando riceve segnali esterni come quelli elettrici o quelli luminosi.
Al loro incontro le molecole sono in grado di leggere le rispettive informazioni (riconoscimento molecolare) in modo tale da formare all’occorrenza sistemi supramolecolari (composti da due o più molecole), o aggregarsi formando nuove specie o, ancora, ignorarsi laddove non vi sia alcuna utilità.

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Animazione

L’immagine riportata in basso è tratta da una sequenza animata che trovi al link riportato di seguito. La spettacolarità di questa animazione sta nel fatto che permette di apprezzare il movimento vibrante delle molecole. Capiremo nei prossimi articoli cosa alimenta questo movimento e come si fa per orientarlo, ad esempio, in maniera similare ad un braccio robotico.

https://www.youtube.com/watch?v=yk14dOOvwMk

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Macchine Molecolari Naturali, Parte 1: Congegni, interruttori, attuatori e motori – Intro
Macchine Molecolari Naturali, Parte 2: Biologia e Nanotecnologia
Macchine Molecolari Naturali, Parte 3: Una fabbrica dentro le cellule
Macchine Molecolari Naturali, Parte 4: Conseguenze della fisica alla scala nanometrica
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Macchine Molecolari Naturali, Parte 1: Congegni, interruttori, attuatori e motori – Intro

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

Qualche tempo fa scrissi un articolo che si intitola “Non puoi inventare ciò che non esiste” (vedi in basso i Link correlati). Al suo interno citavo alcuni esempi di cose che l’uomo crede di aver inventato e che in realtà ha solo scoperto. L’obiettivo era quello di comunicare che l’Uomo si ispira a ciò che trova e osserva in Natura per le sue “invenzioni” (o scoperte).

Tra gli esempi esposti ne mancava uno che è a dir poco sbalorditivo: le Macchine Meccaniche di scala “nanometrica” presenti in Natura. Nanometrico significa di dimensioni dell’ordine del Nanometro, il Nanometro altro non è che la milionesima parte del millimetro o, se preferite, la miliardesima parte del metro. Questo significa che potete prendere tra le mani un righello, osservare un singolo millimetro e immaginare di dividerlo 1 milione di volte per arrivare alle dimensioni di queste strabilianti Macchine Meccaniche Naturali dette Macchine Molecolari.

Se ora vi sentite un po’ interdetti sappiate che la risposta è Sì, stiamo parlando di veri e propri macchinari, delle dimensioni di gruppi di molecole, che svolgono funzioni del tutto simili a quelle che l’Uomo ripropone (inconsapevolmente) nelle sue fabbriche a partire dalla Rivoluzione industriale e che sono contenute in piante e animali, quindi anche dentro di voi.

Esse svolgono funzioni quali ad esempio trasportare molecole ingerite con il cibo o con il respiro, estrarre da tali molecole l’energia necessaria per permettere i movimenti, convertire le molecole che poi generano la struttura ed i tessuti di un organismo, riparare danni… passando per attività strabilianti come la sintesi dell’ATP (che vedremo nel dettaglio più avanti) mediante veri e propri motori elettrici nanometrici (dotati quindi di statore e rotore) alimentati da ioni a idrogeno (spesso erroneamente definiti motori a protoni), fino alla gestione dei sensi, delle sinapsi, del pensiero, possibili grazie a veri e propri interruttori molecolari che si attivano e si disattivano, ad esempio nella retina, per poter riconoscere le lettere che compongono anche le parole di questo articolo.

L’intero funzionamento del corpo umano, così come quello delle piante (che, come vedremo in uno dei prossimi articoli, gli scienziati hanno dimostrato dispongono di capacità decisamente superiori rispetto a quanto siamo soliti immaginare…), è orchestrato da congegni molecolari capaci di lavorare con elevata efficienza, rapidità e precisione i quali moltissimo hanno in comune con i nostri motori elettrici, con gli attuatori presenti nelle fabbriche automatizzate, con i microinterruttori presenti nei processori e, addirittura, con gli strumenti presenti nei nostri laboratori. Ora l’Uomo comincia persino ad imparare a riprodurre artificialmente queste Macchine Molecolari per impieghi nei campi della Bioingegneria e della Biotecnologia, si parla in questo caso di Macchine Molecolari Artificiali di cui vedremo esempi sorprendenti.

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Immagine

Nell’immagine è rappresentato un Motore Molecolare Naturale, il suo funzionamento è molto simile a quello dei nostri motori elettrici; ne sono presenti una moltitudine “installati” nei nostri Mitocondri, ovvero all’interno di ciò che potremmo definire la “centrale energetica” delle nostre cellule. Grazie a questi Motori Molecolari Naturali viene prodotta energia sotto forma di ATP (Adenosina Trifosfato) di primaria importanza per il nostro organismo perché necessaria per svolgere qualsiasi tipo di lavoro biologico. Ne vedremo il funzionamento in dettaglio nei prossimi articoli.

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