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La dispersione dei neutroni presso l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia ha dimostrato che il colesterolo irrigidisce le membrane lipidiche semplici, una scoperta che può aiutarci a comprendere meglio il funzionamento delle cellule umane.
Un team guidato dal fisico della Virginia Tech ed ex collega dell’ORNL Shull Rana Ashkar ha utilizzato lo spettrometro Neutron Spin Echo presso Spallation Neutron Source di ORNL per analizzare l’effetto del colesterolo su modello di membrane lipidiche insature. Utilizzando membrane a doppio strato con quantità variabili di colesterolo, i ricercatori hanno concluso che il colesterolo aumenta lo spessore e la rigidità della membrana.
I risultati dello studio vengono visualizzati nei Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Il nostro studio getta nuova luce su come le proprietà della membrana potrebbero manifestarsi in modo diverso su diverse scale di lunghezza e tempo, una chiave per comprendere complesse funzioni biologiche che si estendono su più scale”, ha detto Ashkar.
“Siamo stati in grado di determinare in modo univoco in che modo il colesterolo influisce sulla rigidità della membrana su scala nanometrica, su cui si verificano importanti processi biologici, come il germogliamento virale e le interazioni membrana-proteina“.
Le conclusioni del gruppo contraddicono le ricerche precedenti condotte utilizzando i raggi X. La differenza nei risultati è probabilmente dovuta alla capacità dell’eco di spin dei neutroni di analizzare meglio il comportamento della membrana a lunghezze e tempi rilevanti.
“Stiamo misurando dinamiche che si verificano nell’ordine di centinaia di nanosecondi”, ha detto Laura Stingaciu di ORNL, scienziata esperta di spin echo. “Modulazioni di membrana di qualsiasi tipo si verificano a questa scala”.
Stingaciu ha detto che l’eco dello spin dei neutroni è una tecnica particolarmente valida per analizzare i campioni biologici.
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“L’eco di spin dei neutroni ( riorientamento della rotazione) è l’unica tecnica che può accedere ai processi in questa scala temporale e spaziale in formazioni biologiche viventi, come le membrane, senza interagire con alcun processo. Non è necessario rompere la membrana o la cellula. Non è necessario aggiungere sonde. Non hai bisogno di candeggina”, dice Stingaciu.
La tecnica beneficia anche della capacità dello scattering di neutroni, un particolare processo di scattering in cui un fascio di neutroni interagisce con la materia, di evidenziare parti diverse di una membrana cellulare utilizzando due diversi isotopi di idrogeno: l’idrogeno comune – noto anche come protio – che ha un singolo protone e nessun neutrone nel suo nucleo, e il deuterio, che ha un neutrone oltre al protone nel suo nucleo. I due isotopi sono quasi identici dal punto di vista chimico, ma forniscono segnali di neutroni molto diversi, consentendo ai ricercatori di concentrarsi su fenomeni specifici di un campione.
“La cosa che rende i neutroni eccellenti per i sistemi idrogenati è che sei in grado di cambiare il contrasto”, ha detto John Katsaras, scienziato senior nel Sample Environment Group dell’ORNL. “Possiamo rendere alcune parti di una membrana visibili ai neutroni e altre parti invisibili ai neutroni semplicemente modificando la quantità di protio e deuterio”.
Lo strumento spin echo misura i cambiamenti nello spin del neutrone – o polarizzazione – per rilevare il movimento in un campione.
Il gruppo ha condotto questi esperimenti utilizzando un modello di membrana semplificato a cui è stato aggiunto il colesterolo per imitare la matrice lipidica nelle membrane cellulari.
“Se la membrana è assolutamente rigida e rimane lì”, ha detto Katsaras, “non misurerai alcun cambiamento nella polarizzazione dei neutroni. Quando la membrana ondeggia, la polarizzazione cambia, il che significa che sta accadendo qualcosa “.
Quando questo progetto è iniziato, Ashkar era all’ORNL/ Shull Fellow, dal nome del pioniere della scienza dei neutroni dell’ORNL e premio Nobel Clifford Shull. Nel frattempo, è diventata assistente Professore al Virginia Tech.
Altri collaboratori provengono dalle Università di Tennessee, Texas, Arizona e Delaware, nonché dalla Cornell University e dal National Institute of Standards and Technology.
La ricerca è stata supportata dall’Office of Science del DOE e ha utilizzato le risorse della Spallation Neutron Source, una struttura per gli utenti del DOE Office of Science, situata presso ORNL.
UT-Battelle gestisce ORNL per l’Ufficio della Scienza del Dipartimento di Energia, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.
Fonte: ORNL
