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Università Trento: collanine microscopiche imitano il DNA

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A differenza delle catenine che si portano al collo, che restano come sono, ce ne sono altre che danzano e cambiano forma.

Sono le collanine microscopiche, capaci di torcersi, estendersi e avvolgersi su sé stesse. Si sono concentrati su di esse tre fisici del network europeo Eutopia Cost coordinato da UniTrento. Il loro articolo “Circular polycatenanes: Supramolecular structures with topologically tunable properties” è uscito sulla rivista internazionale Physical Review Letters.

Se da tempo si è ormai compreso come la conformazione del Dna sia di fondamentale importanza per la regolazione di un gran numero di processi biologici, ora si tratta di capire cosa accade negli anelli di anelli di molecole e come potrebbero essere utilizzati in futuro per progettare innovativi materiali con proprietà elastiche particolari oppure materiali smart per la microsensoristica e per altre applicazioni tecnologiche.

I polimeri che formano i nostri corpi, come le proteine e il DNA, sono molecole fatte di piccole unità che si ripetono, tenute assieme da legami chimici. Nel secondo dopoguerra, la scoperta di nuove tecniche per sintetizzare lunghi polimeri portò al boom dell’industria della plastica.

Di recente, la ricerca in chimica ha sviluppato tecniche per assemblare composti sopramolecolari tenuti insieme non da legami chimici, bensì da incastri meccanici, come gli anelli di una catena. Tra questi, ad esempio, i policatenani, composti in grado di superare le proprietà chimiche e fisiche dei polimeri.

Se n’era parlato nel 2016 in occasione del premio Nobel per la Chimica assegnato a Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa per i loro studi sulle macchine molecolari. Il settore scientifico è in forte crescita, ma finora ci si era occupati solo dei policatenani lineari e nessuno aveva ancora pensato di chiudere le catene per farne “collane” e osservarne il comportamento.

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A studiare questi anelli di anelli molecolari è stata la ricerca coordinata da Luca Tubiana del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, primo autore e corresponding author dell’articolo su PRL. Nella ricerca di fisica computazionale della materia soffice, sono coinvolti Enzo Orlandini dell’Università di Padova e Franco Ferrari attivo in Polonia, all’University of Szczecin (Università di Stettino).

Tubiana spiega: «Dal nostro articolo emerge che i policatenani circolari presentano proprietà fisiche e geometriche molto simili agli anelli di DNA. In particolare, mostriamo che una versione del teorema di Calugareanu-White-Fuller sul collegamento tra proprietà locali e globali, vale anche per queste strutture. In altre parole dallo studio teorico che abbiamo svolto si intuisce come anche nelle strutture sopramolecolari, come nella fisica del DNA, c’è un nesso tra ciò che avviene in una parte della struttura e nel suo insieme».

Riprende: «La quantità di torsione (twist) e il grado di avvolgimento (writhe, una misura di quanto una curva sia “aggrovigliata”), sono intimamente collegati tra loro a seconda del modo in cui le collane molecolari sono assemblate. Qualcosa di molto simile accade negli anelli di DNA in cui la somma di twist e writhe è uguale al numero di volte in cui un filamento è avvolto intorno all’altro».

«Grazie alle loro proprietà uniche, questi sistemi stanno generando un notevole interesse per la chimica sopramolecolare, la biologia e la materia soffice, come testimoniato dal premio Nobel per la chimica nel 2016 e dai recenti progressi nella loro sintesi. Il meccanismo, che nel DNA è di fondamentale importanza per la regolazione di un gran numero di processi biologici, potrà essere sfruttato in future strutture sopramolecolari» conclude Tubiana.

Il loro articolo, “Circular polycatenanes: Supramolecular structures with topologically tunable properties”, è stato pubblicato ed è disponibile su: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.227801

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