Sfruttare il flusso di elettroni nelle cellule
Il trasferimento degli elettroni è utilizzato da mitocondri e cloroplasti e in organismi unicellulari come i batteri. Gli elettroni sono spostati da un donatore (che perde gli elettroni e si ossida) a un accettore (che acquisisce gli elettroni e si riduce). Queste reazioni di ossidoriduzione (“redox”) rappresentano una parte essenziale del ciclo energetico. I recenti progressi nelle tecniche di registrazione su singole molecole sono stati applicati con successo ad architetture più grandi come il DNA. Il progetto SINGLE-BIOET (Single-molecule junction capabilities to map the electron pathways in redox bio-molecular architectures), finanziato dall’UE, ha esplorato i percorsi di trasferimento sequenziale degli elettroni all’interno di una struttura biomolecolare. Nella metalloproteina batterica blue copper azurina il rame subisce l’ossidoriduzione associata alla sua catena di trasporto degli elettroni. I ricercatori hanno modificato le posizioni sulle molecole con entità che rafforzano il legame a singola molecola utilizzando la tecnica di mutagenesi sito-specifica. Hanno poi creato giunzioni a singola molecola in queste posizioni sul guscio esterno della proteina per esplorare i parametri dominanti nella catena di trasferimento degli elettroni. Gli sperimentatori hanno definito la tecnica sperimentale per la creazione di giunzioni a singola molecola. I risultati della mutagenesi sito-specifica sono stati testati mediante tecniche di fluorescenza e mezzi elettrochimici. I valori di conduttanza misurati nell’azurina di tipo “wild” e mutante hanno fornito informazioni preziose sull’utilizzo della tecnica sperimentale e sul trasporto degli elettroni. Le differenze nella conduttanza tra tipo “wild” e mutante hanno dimostrato la fattibilità della modulazione del trasporto di carica in dispositivi molecolari su nanoscala, tramite semplice modifica su punti specifici degli scheletri biomolecolari. Un piano di mutagenesi sito-specifica ha condotto alla selezione di nove residui finali della struttura esterna dell’azurina. Per tutti i mutanti purificati è stata eseguita la caratterizzazione dell’attività e del ripiegamento strutturale. Dal confronto tra le varianti di trasporto di tipo “wild” e di tipo mutante sono emerse informazioni sui percorsi attraverso la complessa struttura della metalloproteina e i dettagli tecnici relativi alla formazione del ponte a singola proteina. La misurazione della conduttanza di singola molecola sulle proteine modificate ha dato prova di una minore dispersione rispetto al tipo “wild”. Ciò è indicativo di una maggiore restrizione dell’orientamento della proteina grazie a un legame più forte del tiolo ai due elettrodi di giunzione. Anche nel caso delle varianti mutanti è stato osservato un prolungamento del ciclo di vita della singola proteina misurato grazie a un nuovo strumento a intermittenza. Si è scoperto infine che la risposta di gating elettrochimico dei fili dei singoli mutanti si discostava completamente da quella della controparte di tipo “wild”, dimostrando la fattibilità del trasporto di carica bioingegneristico in un filo biomolecolare su nanoscala. Per concludere, la caratterizzazione dei meccanismi di trasporto di carica registrerà un profondo impatto sul campo emergente della bioelettronica e faciliterà l’integrazione delle strutture biologiche come componenti di dispositivi optoelettronici.
Parole chiave
Trasporto degli elettroni, bioelettronica, ossidoriduzione, SINGLE-BIOET, metalloproteina azurina
