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ISS Stazione Spaziale Internazionale

 

Alcuni membri dell'equipaggio che si trova a bordo della Stazione Spaziale Internazionale o ISS stanno conducendo delle ricerche per migliorare le tecniche di accrescimento dei cristalli, rispetto a quanto viene fatto sulla Terra. Le informazioni ottenute da questi esperimenti potrebbero accelerare lo sviluppo farmacologico, portando benefici alle persone.

Le proteine, all'interno del corpo umano, svolgono molti ed importanti ruoli. Senza di esse, il corpo non potrebbe regolare le sue attività, ripararsi, crescere o proteggersi. Le proteine sono macromolecole costituite da sequenze più o meno lunghe di aminoacidi, tuttavia alcune di esse sono troppo piccole per essere studiate visivamente, anche con potenti microscopi elettronici. Quindi, occorre formare con esse dei cristalli, per determinare la loro struttura tridimensionale. Lo studio di queste strutture può permettere ai ricercatori di capire come una singola proteina funziona, ed eventualmente il suo coinvolgimento nello sviluppo di una malattia. Una volta compresa la struttura tridimensionale di una proteina, i produttori di farmaci possono usare tale struttura per lo sviluppo di un farmaco specifico in grado d'interagire con la proteina. Questo processo è denominato "progettazione di farmaci in base alle strutture". Anche se non tutte le sostanze medicinali seguono questo particolare iter di sviluppo, occorre far notare che tutto ciò è simile al meccanismo d'interazione fra una chiave ed una serratura; se la chiave ha la forma corretta, la serratura si apre, altrimenti questo non avviene.

Nella Stazione Spaziale Internazionale, in particolare, sono in corso due indagini. La prima riguarda lo studio della cristallizzazione di macromolecole proteiche in condizioni di microgravità; la seconda studia il tasso di crescita e la conseguente dispersione di cristalli di materiale biologico, dove la qualità del processo può essere migliorata sempre grazie alla microgravità. C'è da notare, comunque, che era già noto in precedenza che i cristalli cresciuti in condizioni di microgravità sono spesso di qualità superiore rispetto a quelli che si formano sulla Terra. Quindi, in pratica, molte sostanze cristallizzano meglio nello spazio.
I ricercatori, dunque, erano già a conoscenza del fatto che i cristalli che crescono nello spazio hanno meno imperfezioni rispetto a quelli che crescono sulla Terra, tuttavia non sono chiare le cause di questa diversità di sviluppo. Una teoria ampiamente accettata nella comunità di cristallografia, è che i cristalli sono di qualità superiore perché in condizioni di microgravità crescono più lentamente, a causa della mancanza di convezione indotta dal galleggiamento. L'unico modo con cui le molecole proteiche si muovono in presenza di microgravità è per diffusione "casuale", in maniera meno condizionata da vari fattori rispetto a quanto accade sulla Terra.

Un'altra teoria, meno esplorata, è che in condizioni di microgravità può essere raggiunto un più alto livello di purificazione. Un cristallo puro può contenere migliaia di copie di una singola proteina, e non altro. Una volta che i cristalli sono portati sulla Terra ed esposti ad un fascio di raggi X, il pattern di diffrazione dei raggi X può essere utilizzato per mappare matematicamente la struttura di una proteina.

Lawrence DeLucas, uno dei principali autori di questo studio, ha affermato: "Quando si purificano delle proteine per far sì che formino dei cristalli, le molecole proteiche tendono ad aderire l'una all'altra in maniera casuale. Questi aggregati proteici possono presentare dei difetti che vengono incorporati nei cristalli mentre crescono, disturbando l'allineamento delle proteine e, quindi, riducendo la qualità della diffrazione ai raggi X del cristallo." La teoria afferma che in condizioni di microgravità un dimero, ossia due proteine attaccate insieme, si muove in maniera più lenta di un monomero, cioè una singola proteina, e questo fa sì che gli aggregati proteici hanno meno opportunità d'incorporarsi nel cristallo. DeLucas ha detto: "Si ha una selezione nella crescita, costituita prevalentemente da monomeri, e questo riduce al minimo la quantità di aggregati che sono incorporati nel cristallo, perché si muovono molto più lentamente."

Sulla ISS queste due teorie sono attualmente messe alla prova, per cercare di capire il motivo per cui i cristalli cresciuti in condizioni di microgravità sono spesso di qualità, nonché di dimensioni superiori rispetto alle loro controparti coltivate sulla Terra. I risultati della diffrazione a raggi X sono migliori se questa viene effettuata su una struttura proteica più precisa, e questo può migliorare la nostra comprensione della funzione biologica delle proteine e portare in futuro alla scoperta di nuovi farmaci.

Tuttavia, quanto detto rispetto alle condizioni maggiormente favorevoli che porta la microgravità, non vale come regola generale. La ricerca ha scoperto che solo alcune proteine hanno dei benefici nel processo di cristallizzazione nello spazio. La forma e la superficie della proteina che costituisce un cristallo definiscono il potenziale successo grazie alla microgravità. Edward Snell, un altro ricercatore, ha affermato: "Alcune proteine sono come dei mattoni, e per questo si impilano fra loro molto facilmente. Queste sono le proteine che non traggono dei benefici dalla microgravità. Altre sono come dei fagioli di gelatina. Quando si tenta di costruire una belle serie con esse sulla Terra, queste proteine tendono a rotolare via e a non disporsi in maniera ordinata. Queste sono quelle che traggono beneficio dalla microgravità. Quello che stiamo cercando di fare è distinguere i mattoni dai fagioli di gelatina."

Capire come le diverse proteine cristallizzano in condizioni di microgravità darà ai ricercatori una visione più profonda di come funzionano queste proteine, e questo contribuirà a determinare quali sono i cristalli che è bene far crescere sulla Stazione Spaziale Internazionale. Snell ha detto: "Stiamo massimizzando l'uso di una risorsa scarsa, ed ogni cristallo che cresce nello spazio offre dei vantaggi agli scienziati sulla Terra." Questi cristalli potrebbero essere utilizzati per lo sviluppo di farmaci e per la ricerca sulle malattie in tutto il mondo.

 

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