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Apr 07, 2023

Un gruppo di ricerca dell'Illinois accelera le tecniche di imaging per catturare le strutture di piccole molecole

Written by Emily Jankauski URBANA, Ill. — A University of Illinois

Scritto da Emily Jankauski

URBANA, Illinois - Uno sforzo di ricerca Urbana-Champaign dell'Università dell'Illinois guidato da Pinshane Huang sta accelerando le tecniche di imaging per visualizzare chiaramente le strutture di piccole molecole, un processo una volta ritenuto impossibile. La loro scoperta libera un potenziale infinito nel miglioramento delle applicazioni della vita quotidiana, dalla plastica ai prodotti farmaceutici.

Il professore associato del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali ha collaborato con gli autori principali Blanka Janicek, una studentessa del 21 e post-doc presso il Lawrence Berkeley National Laboratory di Berkeley, in California, e Priti Kharel, una studentessa laureata del Dipartimento di Chimica, per dimostrare la metodologia che consente ai ricercatori di visualizzare piccole strutture molecolari e accelerare le attuali tecniche di imaging.

Altri coautori includono lo studente laureato Sang hyun Bae e gli studenti universitari Patrick Carmichael e Amanda Loutris. La loro ricerca sottoposta a revisione paritaria è stata recentemente pubblicata su Nano Letters.

Gli sforzi del team svelano la struttura atomica della molecola, consentendo ai ricercatori di capire come reagisce, apprenderne i processi chimici e vedere come sintetizzare i suoi composti chimici.

"La struttura di una molecola è fondamentale per la sua funzione", ha detto Huang. "Ciò che abbiamo fatto nel nostro lavoro è stato rendere possibile vedere direttamente quella struttura."

La capacità di vedere la struttura di una piccola molecola è vitale. Kharel ne condivide l'importanza fornendo l'esempio di un farmaco noto come talidomide.

Scoperta negli anni '60, la talidomide veniva prescritta alle donne incinte per curare la nausea mattutina e in seguito si scoprì che causava gravi difetti alla nascita o, in alcuni casi, addirittura la morte.

Che cosa è andato storto? Il farmaco aveva strutture molecolari miste, una responsabile del trattamento della nausea mattutina e l'altra che purtroppo causava effetti avversi devastanti sul feto.

La necessità di una scienza proattiva e non reattiva ha spinto Huang e i suoi studenti a perseguire questo sforzo di ricerca originariamente iniziato con pura curiosità.

"È fondamentale determinare con precisione le strutture di queste molecole", ha detto Kharel.

In genere, le strutture molecolari vengono determinate con tecniche indirette, un approccio difficile e dispendioso in termini di tempo che utilizza la risonanza magnetica nucleare o la diffrazione dei raggi X. Ancora peggio, i metodi indiretti possono produrre strutture errate che forniscono agli scienziati una comprensione errata della composizione di una molecola per decenni. L'ambiguità che circonda le strutture delle piccole molecole potrebbe essere eliminata utilizzando metodi di imaging diretto.

Nell’ultimo decennio, Huang ha visto progressi significativi nella tecnologia della microscopia elettronica criogenica, in cui i biologi congelano le grandi molecole per catturare immagini di alta qualità delle loro strutture.

"La domanda che avevo era: cosa impedisce loro di fare la stessa cosa per le piccole molecole?" Huang ha detto. "Se potessimo farlo, potresti essere in grado di risolvere la struttura (e) capire come sintetizzare un composto naturale prodotto da una pianta o da un animale. Questo potrebbe rivelarsi davvero importante, come un grande combattente contro le malattie," Huang ha detto.

La sfida è che le piccole molecole sono spesso 100 o addirittura 1.000 volte più piccole delle grandi molecole, il che rende difficile rilevarne le strutture.

Determinati, gli studenti di Huang hanno iniziato a utilizzare la metodologia esistente delle grandi molecole come punto di partenza per sviluppare tecniche di imaging per far apparire le strutture delle piccole molecole.

A differenza delle molecole di grandi dimensioni, i segnali di imaging provenienti da molecole piccole vengono facilmente sopraffatti dall’ambiente circostante. Invece di usare il ghiaccio, che tipicamente serve come strato di protezione dal duro ambiente del microscopio elettronico, il team ha ideato un altro piano per mantenere intatte le strutture delle piccole molecole.

Come si può temperare l'ambiente di una molecola? Utilizzando il grafene.

Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio che forma uno stretto reticolo a nido d'ape a forma esagonale, dissipa le reazioni dannose durante l'imaging.

Stabilizzare l'ambiente della piccola molecola era solo uno dei problemi che i ricercatori dell'Illinois dovevano gestire. Il team ha inoltre dovuto limitare l'uso degli elettroni, a un milionesimo del numero di elettroni normalmente utilizzati, per illuminare le molecole.