Il contributo delle nanoscienze alla comprensione dei fenomeni biologici Mariano Venanzi Bio-NAST Laboratory Università di Roma Tor Vergata [email protected] 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 3nm e una altezza di 0.65 nm. Parametri di tunneling: -1.9V, 0.3 pA. Citocromo c su Au(111) Electron Transfer Proteins 26nmx26nm 10nmx10nm 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 pN 200 pN Strato cellulare protettivo di Deinococcus radiodurans 5 nm Cr + 50 nm Au + tioalcano funzionalizzato (X) 2x2 “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 caratterizzazione di popolazioni eterogenee di molecole - distribuzioni locali, traiettorie nel tempo fluttuazioni in condizioni di equilibrio 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 (≈1m) Boyer and Walker , Nobel 1997 Un motore a scatti di 120° Il motore F0 Il motore F1 Membrana mitocondriale Nel mitocondrio Kinesina in moto : un trasportatore al lavoro Una molecola di ATP 8 nm Un esperimento a due trappole! 410 s 3s tight trap weak trap Biomateriali e processi Modelli Nano Bio Strumenti Scienza e piattaforme tecnologiche
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