Il contributo delle nanoscienze alla comprensione dei fenomeni

Il contributo delle nanoscienze alla comprensione dei fenomeni biologici Mariano Venanzi Bio-NAST Laboratory Università di Roma Tor Vergata venanzi@uniroma 2. it

Scanning Tunneling Microscopy effetto tunnel elettronico Atomic Force Microscopy interazioni elettroniche deboli Single Molecule Detection Rivelazione ottica e manipolazione di singole molecole

L’STM ha permesso non solo di vedere singole molecole , ma anche di toccare e spostare singoli atomi o di sentire le loro vibrazioni. Da questo punto di vista, l’STM può essere considerato come gli occhi, le mani e le orecchie dei ricercatori. Uno strumento unico capace di connettere il mondo macroscopico dei nostri sensi al mondo nanometrico degli atomi e delle molecole. Saw-Wai Hla, Ohio University

Immagine STM ad alta risoluzione di un DNA plasmide su mica Nella posizione della freccia il DNA ha una larghezza di 3 nm e una altezza di 0. 65 nm. Parametri di tunneling: -1. 9 V, 0. 3 p. A.

Citocromo c su Au(111) Electron Transfer Proteins 26 nmx 26 nm 10 nmx 10 nm

Corral quantistici: atomi di Ferro su Cu(111) (r=7. 3 nm)

Xe su Ni(110) CO su Cu(110)

Imaging di biomolecole in condizioni fisiologiche DNA Complessi DNA-proteina

Bacteriorodopsina nella membrana cellulare citoplasmatica 100 p. N 200 p. N

Strato cellulare protettivo di Deinococcus radiodurans

5 nm Cr + 50 nm Au + tioalcano funzionalizzato (X)

2 x 2

“Impara ad usare la forza”

Quanta forza serve per svolgere un tratto di DNA?

Spettroscopia di singola molecola

Studio di singole biomolecole in condizioni fisiologiche Ø caratterizzazione di popolazioni eterogenee di molecole - distribuzioni locali, traiettorie nel tempo Ø fluttuazioni in condizioni di equilibrio Ø cinetiche di reazione di singoli componenti in condizioni di non-equilibrio - intermedi e cammini di reazione

Funzionalizzazione di biomolecole mediante sonde fluorescenti legate covalentemente e in maniera specifica Le dimensioni di un probe (≈0. 1 nm) sono molto minori della luce emessa (≈500 nm). Lo spot di luce può essere localizzato con grande precisione (decimi di nanometro).

Lampadine molecolari: molecole che si accendono quando si legano Fluorescenza di singole molecole di flavoenzima. Ogni picco rappresenta una molecola del cofattore flavina legata all’enzima. La reazione enzimatica di ogni singolo enzima/cofattore puo’ essere seguita in tempo reale addotto

Biomolecole legate a sferette di polistirene o di silice (≈1 m)

Boyer and Walker , Nobel 1997

Un motore a scatti di 120°

Il motore F 0 Il motore F 1 Membrana mitocondriale Nel mitocondrio

Kinesina in moto : un trasportatore al lavoro Una molecola di ATP 8 nm

Un esperimento a due trappole!

410 s 3 s tight trap weak trap

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