(Acqua-Immagine Credit Public Domain).
Sebbene l’acqua sia da tempo conosciuta come una componente cruciale dei sistemi biologici, è solo di recente che gli scienziati stanno iniziando a scoprire i modi intricati in cui guida la strutturazione di composti biologici come proteine, membrane, DNA e zuccheri.
Lo ialuronano, un polisaccaride che si trova intorno alle cellule e in parti del nostro corpo dove la lubrificazione e la viscosità sono importanti, come nelle nostre articolazioni, è un determinante chiave della consistenza dei fluidi acquosi in queste aree. Utilizzando un nuovo metodo sviluppato nel loro laboratorio, gli scienziati del LBP hanno scoperto che lo ialuronano influenza l’orientamento di molte più molecole d’acqua di quanto si pensasse in precedenza. La loro ricerca, che appare su Science Advances, segna una svolta nel modo in cui gli scienziati percepiscono il ruolo dell’acqua nella biologia.
Un nuovo modo di intendere l’idratazione
Gli scienziati del LBP hanno sondato lo ialuronano su scala nanometrica per capire meglio come interagisce con l’acqua. Le molecole di ialuronano contengono molti anioni, o ioni caricati negativamente, mentre le molecole di acqua (H 2O) sono neutri, ma caricati positivamente da un lato e caricati negativamente dall’altro. Questa distribuzione di carica orienta le molecole d’acqua quando “vedono” la carica negativa dello ialuronano. In precedenza, si pensava che le cariche influenzassero l’acqua su una distanza di 3 molecole d’acqua, coinvolgendo solo questa interazione. Tuttavia, utilizzando il loro nuovo metodo, gli scienziati del LBP hanno scoperto che l’influenza si estende effettivamente fino a 1.600 molecole d’acqua. Hanno anche scoperto un secondo meccanismo che orienta l’acqua, vale a dire che il campo elettrostatico degli anioni cambia leggermente il modo in cui le molecole d’acqua si connettono tra loro. Questo meccanismo è in gioco anche nelle soluzioni ialuroniane. Questa scoperta rivoluzionaria potrebbe sfidare i modi convenzionali di pensare l’acqua e il modo in cui interagisce con le molecole complesse. Lo ialuronano è noto per le sue proprietà di potenziamento della viscosità, che si è sempre pensato derivasse solo dalle interazioni tra le molecole di ialuronano. Tuttavia, questo lavoro mostra che anche l’acqua e il modo in cui viene influenzata gioca un ruolo importante.
Testare l’orientamento delle molecole d’acqua
Lo ialuronano orienta le molecole d’acqua migliorando le correlazioni acqua-acqua. Agisce come una “catena flessibile circondata da gusci estesi di acqua correlata orientativamente, che fluttua a seconda dei movimenti della molecola ialuronica”, afferma Sylvie Roke, capo LBP. Il suo team di scienziati ha misurato le correlazioni spaziali su scale di lunghezza nanoscopiche.
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Il loro metodo differisce dalle tecniche standard, come la diffusione della luce, che misura le variazioni di acido ialuronico piuttosto che le molecole d’acqua. Inoltre, le tecniche esistenti non sono sufficientemente sensibili per funzionare a concentrazioni molto basse. Il metodo LBP, chiamato scattering elastico di seconda armonica a femtosecondi, offre una sensibilità 1000 volte maggiore, consentendo di misurare le minuscole correlazioni strutturali che risultano dai cambiamenti nella struttura dell’acqua. Illuminare una soluzione con un impulso laser nel vicino infrarosso a femtosecondi produce fotoni che hanno la doppia energia dei fotoni in arrivo. Tali fotoni di seconda armonica possono essere generati solo da regioni nel liquido che hanno una simmetria rotta rispetto alla struttura isotropa del liquido sfuso puro. Pertanto riferiscono in modo molto sensibile sulle differenze strutturali. Al contrario, nei normali metodi di diffusione della luce, gli stessi fotoni di colore vengono emessi da ogni molecola in modo che le differenze strutturali siano rilevabili solo effettuando una misurazione della differenza. Ciò si traduce in una sensibilità 1000 volte superiore, così come, in questo caso, la sensibilità all’acqua.
Gettare nuova luce sulla complessità dei sistemi acquosi
Roke spiega: “La capacità di osservare come cambiano le sovrastrutture dell’acqua in risposta a molecole come lo ialuronano apre un campo di ricerca completamente nuovo. Il nostro metodo potrebbe essere utilizzato in combinazione con altri approcci ottici non lineari per indagare meglio la complessità dei sistemi acquosi, che stiamo iniziando a scoprire solo ora “.
Fonte: Science Advances
