giovedì 6 febbraio 2014

Capire i cristalli per creare i tecnomateriali del futuro

Cristalli di una proteina (International Union of Crystallography)

Gli studi cristallografici sono fondamentali anche nella progettazione dei farmaci moderni

Gemme, fiocchi di neve, grani di sale: i cristalli si trovano ovunque in natura. «La grande maggioranza delle sostanze solide ha una struttura cristallina: metalli, minerali, proteine, farmaci», spiega Alessia Bacchi, docente di chimica all’Università di Parma. «Fin dall’antichità siamo stati affascinati dalla bellezza e dalle forme dei cristalli, ma solo nell’ultimo secolo, con la nascita della cristallografia moderna, è stato possibile esplorarne la natura, la loro struttura, e capirne di conseguenza le proprietà».  

L’ANNO INTERNAZIONALE - È trascorso infatti un secolo da quando i cristalli hanno dischiuso i loro segreti, grazie agli esperimenti di Max von Laue prima e di William Henry e William Lawrence Bragg poi. Ecco perché le Nazioni Unite hanno dichiarato il 2014 - a cento anni dall’assegnazione a von Laue del premio Nobel per la fisica per la scoperta della diffrazione dei raggi X da parte dei cristalli – Anno internazionale della cristallografia, con una cerimonia che si è svolta il 20 gennaio a Parigi nella sede dell’Unesco. 

LA NASCITA DELLA CRISTALLOGRAFIA – Max von Laue, in pratica, ha aperto la strada alla possibilità di comprendere le proprietà della materia attraverso la visualizzazione della struttura tridimensionale delle molecole. Nel 1912, infatti, mettendo un cristallo sotto un fascio di raggi X, ha scoperto che i raggi venivano deviati. Poco dopo, Bragg padre e figlio hanno replicato l’esperimento, scoprendo che proprio dalla diffrazione dei raggi è possibile risalire alla struttura della disposizione interna degli atomi. «Fino ad allora nessuno conosceva la struttura intima della materia: come era fatta cioè a livello atomico, molecolare», ribadisce la coordinatrice del comitato italiano per l’anno dedicato alla cristallografia. «Ecco perché anche la loro scoperta fu riconosciuta con l’assegnazione del Nobel nel 1915. I loro esperimenti, poi, hanno innescato una sorta di rivoluzione copernicana in diverse discipline: dalla chimica alla biologia molecolare, dalle scienze farmaceutiche alla fisica dei materiali».

ALLA BASE DEI FARMACI MODERNI - Grazie alla cristallografia, per esempio, è stata svelata, nel 1945, la struttura molecolare della penicillina. Scoperta che ha permesso di comprenderne il meccanismo di azione, aprendo di fatto la strada allo sviluppo di altri antibiotici fondamentali per la cura delle malattie infettive. Così come è stato possibile determinare la struttura a doppia elica del Dna, della mioglobina e dell’emoglobina, le proteine che permettono di trasportare l’ossigeno nel sangue, e il meccanismo di funzionamento dei ribosomi, le macchine molecolari alla base della trascrizione del codice genetico. Tutte scoperte coronate con il Nobel, che hanno aperto nuove frontiere alla scienza farmaceutica. «L’analisi della struttura delle macromolecole biologiche, come le proteine, infatti, è fondamentale per comprenderne le funzioni ed è alla base della progettazione di farmaci. Grazie a tecniche cristallografiche, inoltre, riusciamo a fotografare il momento in cui il farmaco si abbina al recettore, al suo bersaglio, e capire dunque, a livello nanoscopico, perché agisce in un determinato modo. Così come modificandone la struttura cristallina possiamo migliorarne le proprietà e renderlo più efficace. Altrimenti, senza la cristallografia, sarebbe come dover riparare un’auto, senza però poter aprire il cofano del motore», spiega Bacchi. 

NUOVI MATERIALI - «Negli ultimi decenni», aggiunge Michele Saviano, direttore dell’Istituto di cristallografia del Cnr e presidente dell’Associazione italiana di cristallografa, «questa scienza e le tecniche basate sulla diffrazione dei raggi X hanno vissuto una rapida evoluzione, consentendo lo sviluppo di materiali all’avanguardia». Per esempio le memorie dei computer, le celle fotovoltaiche o materiali dalla struttura estremamente porosa da renderli come spugne capaci di assorbire la CO2 per mitigare l’inquinamento ambientale. Insomma, la cristallografia ha aperto le porte alla comprensione della materia ed è la chiave per modificarne le proprietà. 

RELAZIONE TRA FORMA E FUNZIONE - Tutte le proprietà di una molecola dipendono dalla sua forma, da come gli atomi che la costituiscono sono disposti e legati nella sua struttura tridimensionale. La cristallografia consente di determinare con esattezza la geometria molecolare, quindi offre la possibilità di comprendere le relazioni fra struttura e proprietà. Per esempio, il diamante e la grafite sono entrambi costituiti da carbonio puro, ma la grafite è nera e sfaldabile perché al suo interno gli atomi di carbonio sono legati in strati laminari come foglietti in un bloc notes, mentre il diamante è costituito da una rete di atomi di carbonio tridimensionale solidissima che lo rende duro e difficile da tagliare. «Proprio basandosi sulla conoscenza delle relazioni tra struttura e funzione, è possibile progettare materiali che abbiano una struttura tale da conferirgli particolari proprietà», spiega la docente dell’Università di Parma. «Per esempio progettare un cristallo che presenti una struttura porosa, dotata di cavità tali da poter immagazzinare grandi quantità di idrogeno e fungere da serbatoi di combustibile, oppure progettare cristalli in cui gli atomi sono allineati come aghi di tante bussole, così da conferire proprietà di magneti superconduttori a materiali per i treni a levitazione magnetica. Naturalmente», aggiunge, «per “entrare” in un cristallo e capirne le proprietà dobbiamo rimpicciolirci un miliardo di volte, perché sono dettagli grandi quanto un decimiliardesimo di metro a determinare con precisione inesorabile le proprietà di un componente elettronico o l’efficacia di un farmaco. Per questo», conclude, «per studiare la struttura dei materiali usiamo sorgenti molto potenti di raggi X, come il sincrotrone Elettra di Trieste». 

EVENTI IN ITALIA - In Italia l’Associazione di cristallografia promuove una serie di iniziative sparse sul territorio: incontri, dibattiti, attività nelle scuole. All’Università di Padova, per esempio, è aperta fino al 28 febbraio la mostra Cristalli! Uno sguardo sul mondo della cristallografia, che nel corso dell’anno farà tappa in altre città. Ed è in cantiere un testo didattico per illustrare a studenti e insegnanti la storia, le applicazioni e il fascino di questa scienza. Il 13 febbraio a Firenze il professor Luca Bindi terrà una conferenza sui quasi-cristalli naturali, con visita al museo di cristallografia.

FONTE: corriere.it

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