Controluce - Figure per descrivere
pensare elementi
autore:
Perttu S. Niemelä et al.
affiliazione:
Laboratory of Physics, Helsinki University of Technology, Helsinki (FI)
L'immagine
Membrana cellulare
Secondo il modello a mosaico fluido (proposto nel 1972 da S.J Singer e G.L. Nicholson), le mebrane cellulari che contengono il citoplasma e delimitano i diversi organelli sono costituite da due strati di molecole fosfolipidiche. Queste molecole sono caratterizzate da una struttura bipolare: una testa idrofila (il fosfato) e una coda idrofoba (il lipide) che, grazie a questa affinità o repulsione, si allineano a formare una struttura fluida, ma relativamente compatta. Il modello prevedeva che in questo tappeto fluido, assieme alle proteine di mebrana, si incastonasse anche qualche altra molecola (glicolipidi). Studi successivi hanno dimostrato che il mosaico è molto più complesso e necessario di quanto si fosse inizialmente immaginato.
Nell'immagine, la struttura della membrana cellulare appare costituita, oltre che da fosfolipidi (in grigio), anche da molecole di colesterolo (in giallo) e sfingolipidi (in arancione). Le molecole d'acqua (colorate in celeste) si trovano sopra e sotto la membrana.
Gli sfingolipidi, invece che da glicerolo come i fosfolipidi, sono costituiti da un ammino-alcool a lunga catena insatura. Oltre alla funzione strutturale illustrata dall'immagine, queste molecole giocano un importante ruolo anche nella segnaletica molecolare extra- e intra-cellelulare. Nelle cellule animali, il colesterolo è un altro ingrediente fondamentale delle membrane. Se da un lato diminuisce la fluidità del mosaico, ne aumenta dall'altro la stabilità. Serve anche da filtro e, assieme ai diverse molecole proteiche, regola lo scambio delle molecole messaggere.
La tecnica
Simulazione di dinamica biomolecolare
Le immagini mostrano la fase conclusiva di tre simulazioni di dinamica molecolare condotte
su un modello di membrana cellulare costituito da una particolare misture di molecole lipidiche.
L’esperimento è stato realizzato da un gruppo di ricercatori guidati da Perttu S. Niemelä
presso il Laboratorio di Fisica della Helsinki University of Technology in collaborazione con il Department of Applied Mathematics della University of Western Ontario, utilizzando GROMACS, un programma di dinamica molecolare distribuito gratuitamente in rete.
La dinamica molecolare nasce attorno agli anni '60, quando alcuni
scienziati americani si rendono conto del fatto che il rapido sviluppo
dei calcolatori avrebbe reso possibile studiare il comportamento della
materia a varie condizioni di densità, pressione e temperatura a
partire dalla simulazione in tempo reale del moto atomico di un sistema
sufficientemente grande di atomi.
Nonostante lo sviluppo dei metodi di calcolo e la potenza dei calcolatori permettano oggi di realizzare dei veri e propri esperimenti seguendo l'evoluzione di sistemi molto complessi, il limite
della dinamica molecolare resta la scala spazio temporale dei
sistemi simulati, che rimane molto al di sotto della soglia delle
nostre percezioni.
Le simulazioni in dinamica molecolare, infatti,
tipicamente esplorano il comportamento di sistemi composti solo da
migliaia (al massimo, da milioni) di atomi, per tempi che solo in casi
eccezionali raggiungono le centinaia di nanosecondi.
In ciascuna di queste simulazioni della struttura delle membrana cellulare si sono lasciate interagire 1024 molecole lipidiche (per un totale di circa 140.000 atomi) calcolando ogni passo di 2 femtosecondi fino a una tempo complessivo di 100 nanosecondi (un decimilionesimo di secondo).
Il valore di verità di queste simulazioni si basa sulla ripetitività del comportamento e della struttura molecolare dei materiali che si cerca di simulare. Per i sistemi viventi, caratterizzati da molecole particolarmente complesse e differenziate, la periodicità delle condizioni di contorno e la propagazione del moto nel tempo sono problemi particolarmente delicati che vanno definiti e valutati caso per caso, assieme ai gradi di libertà che si vuole dare al movimento delle molecole nello specifico campo di forze in cui le si lascia interagire.
Cos'e' controluce
Controluce è una raccolta di immagini scientifiche provenienti dai laboratori di ricerca.
La scienza procede per modelli e anche per immagini. L'osservazione dei fenomeni, gli esperimenti di laboratorio, l'intuizione matematica, le simulazioni al computer utilizzano in molti casi la sintesi e la capacità evocativa di un'immagine. Sopratutto, le immagini sono un irrinunciablile ingrediente della comunicazione della scienza, sia interna che esterna a una certa disciplina.
Le immagini di Controluce vengono scelte e descritte da Ulisse con un lavoro di confronto e di dialogo con gli scienziati che le hanno prodotte. Si tratta di immagini che nascono direttamente dall'attività di ricerca, ma che hanno un alto potenziale comunicativo anche per un pubblico più ampio.
