RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

APPROCCIO TEORICO-SPERIMENTALE AGLI STATI NON-NATIVI DELLE PROTEINE: FORMAZIONE DI FIBRILLE AMILOIDI, PROTEINE DISORDINATE E DENATURATE

Università di riferimento

Università "Cà Foscari" di VENEZIA - CHIMICA FISICA - VENEZIA(VE)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Achille GIACOMETTI

Descrizione

OBIETTIVI DEI PRESENTE PROGETTO

I nostri sforzi nei prossimi due anni verteranno principalmente sulle due seguenti tematiche, entrambi le quali sono di tipo interdisciplinare

I) Sfere rigide adesive anisotrope e aggregazione di particelle

Come puntualizzato precedentemente, esiste una crescente evidenza sul fatto che molti sistemi colloidali e molte proteine in soluzione, in presenza di una sufficiente quantita' di sale aggiunto, come delle sfere rigide che interagiscono per mezzo di un potenziale attrattivo con un raggio molto piu' corto del raggio delle particelle [1]. Cio' spiega la grande popolarita' del modello a sfere rigide adesive ("sticky hard spere" (SHS)) di Baxter, in quanto rappresenta un utile compromesso tra semplicita' da un lato e ragionevolezza fisica dall'altro. D'altra parte, il modello di Baxter ha il suo maggior punto debole nel fatto che considera un potenziale che e' indipendente dall'orientazione relativa delle particelle. Questa ipotesi semplificativa non e' certamente giustificata nel caso dell'interazione proteina-proteina. In questo caso, l'anisotropia puo' essere dovuta a vari fattori: la presenza di zone idrofiliche/idrofobiche sulla superfice della proteina, una distribuzione non uniforme di carica superficiale, e la formazione di ponti idrogeno in punti specifici della struttura secondaria. Il primo di questi meccanismi, ad esempio, sembra essere la causa della formazione di dimeri nella proteina BLG discussa precedentemente [2].
Diversi studi hanno gia' fornito una chiara evidenza che modelli con interazioni isotrope non sono in grado di rendere conto in modo adeguato dei diagramma di fase delle proteine in soluzione [3]. Per tale ragione, di recente il numero di analisi teoriche dedicate a questo problema e' in continuo aumento [4]. D'altra parte, nella maggior parte dei casi, queste soluzioni sono basate su simulazioni MonteCarlo oppure su una soluzione numerica delle equazioni integrali di Ornstein-Zernike (OZ) dello stato liquido. D'altra parte, esistono tecniche di soluzioni analitiche molto eleganti e ben note, che sono state proposte in passato per tener conto del problema dell'anisotropia.
Ci proponiamo di affrontare il problema della soluzione del modello di Baxter con interazioni anisotrope per mezzo di una teoria proposta da Blum e collaboratori, gia' qualche tempo or sono, per miscele di ioni e dipoli [5]. Tale tecnica e' stata piu' di recente adattata per trattare il problema delle sfere rigide adesive con attrazione modulata dalla direzione [5]. Ci prefiggiamo di estendere la nostra recente analisi sulle SHS isotrope (si veda la parte introduttiva) introducendo l'anisotropia in due modi. In primo luogo, cercheremo di estendere la tecnica introdotta da Blum e collaboratori al caso piu' fisico ed interessante studiato da Frenkel e collaboratori per mezzo di simulazioni MonteCarlo [4]. In questo secondo caso, ogni sfera rigida contiene una o piu' regioni superficiali in cui e' presente un potenziale attrattivo di tipo buca di potenziale, e due particelle si attraggono solo se due di queste regioni, appartenenti a due diverse particelle, sono all'interno di un intervallo predefinito. Nel linguaggio delle proteine, tale situazione potrebbe schematicamente rappresentare le interazioni tra le regioni idrofobiche dei gruppi superficiali nelle proteine, e potrebbe anche essere utilizzata per studiare il particolare meccanismo di dimerizzazione della BLG.
Un secondo modello possibile, che potrebbe essere utilizzato per studiare aggregazione di proteine in generale (e la BLG in particolare), e' quello di considerare un gas di tale sfere rigide aventi un sito di tipo adesivo che rappresenti il sito di attivazione causante l'aggregazione. A tale scopo, ci proponiamo di utilizzare la tecnica ben nota di Wertheim [6] mediante la quale si dovrebbe poter ottenere una soluzione completa delle equazioni di OZ. Ci aspettiamo inoltre di poter fornire una caratterizzazione completa delle instabilita' di demixing mediante una trattazione semi-analitica, utilizzando uno schema proposto da Chen e Forstmann qualche tempo fa [7] e anche da noi utilizzato nel caso di interazioni isotrope [7]. In alcuni di questi progetti ci prefiggiamo di coinvolgere un gruppo dell'Universita' di Londra, e uno dell'Universita' di Cambridge.
Da un diverso punto di vista, e ancora una volta nel tentativo di meglio comprendere il meccanismo che sta alla base del diagramma di fase delle proteine globulari in soluzione, ci proponiamo di completare il nostro studio precedente, basato su delle simulazioni di tipo MonteCarlo, sulla miscela binaria di tipo DLVO-Yukawa (si veda l'introduzione) per tenere conto della termodinamica e di possibili effetti di deplezione (simili agli effetti entropici osservati da Asakura-Osawa [8]). Infine, ci aspettiamo che sia possibile effettuare una estensione di questo lavoro, che tratta solo interazioni isotrope, al caso di potenziali non centrosimmetrici. A questo progetto partecipera' anche il gruppo del Prof. G. Pastore dell'Universita' di Trieste.

II) Fasi di tipo cristalli liquidi nei biopolimeri

Una proteina e' grande ed contiene molti atomi. Le proteine sono infatti formate mettendo insieme delle piccole entita' chimiche dette aminoacidi per formare delle lunghe catene lineari. Esistono 20 tipi di aminoacidi che differiscono solamente per le loro catene laterali. Inoltre, il solvente che circonda la proteina gioca un ruolo fondamentale, di cui si tiene di solito conto per mezzo di interazioni efficaci tra le varie parti della proteina. Lo scheletro della proteina e alcuna delle catene laterali sono idrofobiche, mentre altre catene laterali sono polari. In condizioni fisiologiche le proteine globulari tendono a ripiegarsi in uno stato compatto per espellere le molecole d'acqua dall'interno della struttura, fornendo quindi una attrazione efficace tra i vari aminoacidi idrofobici.
Considerato a livello microscopico quindi, il numero dei gradi di liberta' e' dunque troppo grande per poter essere studiato in dettaglio per mezzo di tecniche di tipo ab initio. D'altra parte, si tende a credere che alcuni degli aspetti piu' importanti associati con le proprieta' rimarchevoli delle proteine, siano indipendenti dai dettagli dei particolari aminoacidi coinvolti. A titolo di esempio, e' ben noto che molte diverse sequenze si ripiegano nello stesso stato nativo, suggerendo quindi che esistono alcuni principi generali, comuni a tutte le proteine, che giocano un ruolo fondamentale.
Per questa ragione si assiste ad un crescente interesse nel perseguire un diverso approccio a "grana-grossa" dove si cerca di avere un quadro unificante dei vari aspetti di tutte le proteine e un livello di comprensione del problema del "folding" da un punto di vista di base.
Il gruppo di Padova e' stato molto attivo lungo tale direzione di pensiero [9]. Uno dei punti piu' rimarchevoli derivante dal loro studio, sta nella forte analogia tra la conformazione naturale dei mattoni fondamentali delle biomolecole, quali ad esempio le eliche e i beta strend, e la fase marginale compatta dei polimeri di forma tubolare [10]. L'osservazione cruciale alla base di tale analisi verte sulla fondamentale differenza tra il comportamento dei polimeri di forma tubolare e la descrizione standard di palle connesse da stringhe, che e' l'esempio paradigmatico della fisica dei polimeri. Mentre sfere legate tra loro, ma aventi tutte le direzioni equivalenti, rappresenta la scelta piu' semplice e naturale per un polimero, un insieme di monete parallele tra loro identificano una speciale direzione (quella della catena). Il diagramma di fase cosi' ottenuto, mostra una chiara somiglianza con i diagrammi di fase dei cristalli liquidi (LC, si veda l'introduzione) in termini delle scale delle lunghezze del polimero di forma tubolare (la lunghezza del polimero, il suo spessore e la lunghezza caratteristica delle attrazioni). In tale contesto, dunque, l'anisotropia nasce dal fatto che ad ogni posizione lungo la catena esiste una direzione speciale selezionata da monomeri primi vicini (la tangente) che, localmente, rompe la simmetria rotazionale. Quindi, deviazioni dalla simmetria sferica, portano a nuovi e ricchi diagrammi di fase in un modo simile a quello che succede nel LC [10]. Come descritto nella parte introduttiva, entrambi i gruppi di Padova e Venezia hanno esperienza passata nelle tecniche teoriche utilizzate nelle teorie dei LC, e ci proponiamo una stretta collaborazione tra questi due gruppi nel tentativo di adattare questi metodi, pensati originalmente per i LC, al caso delle proteine. A livello di campo medio, ad esempio, è possibile dare una descrizione qualitativa delle fasi del LC, usando la ben nota teoria teoria di Meier e Saupe [11] che si configura come una teoria non di reticolo (nel continuo). D'altra parte e' stato osservato [12], piu' recentemente, come possa essere definito un semplice modello di reticolo per le proteine che incorpori anch'esso l'anisotropia tubolare, lasciando quindi intravedere la possibilita' di affrontare il problema sul reticolo (problema solitamente piu' semplice) dove esiste comunque una analoga teoria di campo medio (il modello di Lebwohl-Lasher, si veda introduzione). Il modello introdotto in Ref. [12], è un'estensione del modello standard HP che è una catena autoevitante su reticolo con soli due tipi di aminoacidi – H e P rappresentanti la parte idrofobica e quella polare rispettivamente. Quindi si assegna un'energia favorevole -1 ad un contatto di tipo HH (che avviene quando due aminoacidi non consecutivi nella sequenza ma vicini nel reticolo) e 0 altrimenti. L'ingrediente nuovo introdotto nella [12] consiste nell'incorporare una anisotropia di tipo tubolare favorendo allineamenti mutuamente perpendicolari nella conformazione. Facendo seguito a tale idea, ci proponiamo di studiare opportune variazioni di tale modello su reticolo usando teorie di campo medio. Sulla base di quanto detto, ci aspettiamo quindi di poter riprodurre qualitativamente alcune delle particolari fasi osservate nelle simulazioni di Ref. [10].