2.2. Movimenti rotatori

Una delle nanomacchine naturali più studiate è certamente quella preposta alla sintesi dell’adenosintrifosfato (ATP), specie chimica che, come abbiamo visto (Fig. 11), fornisce l’energia per tutti i movimenti dei muscoli e che quindi presiede anche alle funzioni vitali. Questa macchina ha dimensioni dell’ordine di 10 nm ed è molto complessa (Fig. 13). Schematicamente, è costituita da un’unità cilindrica C, formata da lunghe molecole di proteine avvolte ad elica, che attraversa la membrana (parete) cellulare, e da una unità γ solidale a C. Quando la concentrazione degli ioni idrogeno (H⁺) all’esterno della membrana è superiore alla concentrazione che c’è all’interno, si genera un flusso di ioni idrogeno attraverso l’unità C che così inizia a ruotare come se fosse un mulino; con essa ruota anche γ che è solidale a C (Fig. 13a). L’unità γ, ruotando, agisce come una camma meccanica che deforma in successione tre siti nelle molecole di proteine α e β che la circondano, causando in ognuno di essi la trasformazione di ADP (adenosindifosfato) in ATP (Fig. 13b).

Questa macchina molecolare naturale è insomma un vero motore rotativo che, alimentato da un flusso di ioni idrogeno, produce un lavoro meccanico che a sua volta permette di convertire una sostanza a basso contenuto energetico (ADP) in una sostanza a contenuto energetico più elevato (ATP). Negli organismi, dunque, il combustibile cellulare (ATP) viene totalmente rigenerato dai propri scarti grazie ad una macchina molecolare. Per avere un’idea del lavoro stupefacente svolto da queste nanomacchine, basti pensare che in un giorno un individuo consuma suppergiù 70 kg di ATP e che ogni molecola di ATP viene riciclata in media 700 volte.

Ma il funzionamento di questa nanomacchina è ancor più complesso e sbalorditivo. Infatti, essa combina due motori molecolari, indicati nella Fig. 13a con F₁ e F_O, uniti alla stessa camma γ. Questi due motori tendono entrambi a ruotare, ma in direzione opposta. Il motore F_O, come sopra accennato, sfrutta il flusso di ioni idrogeno per girare in una direzione, mentre il motore F₁, usando l’energia prodotta dalla conversione di ATP in ADP (cioè della reazione opposta a quella sopra menzionata) ruota in direzione opposta. Poiché i due motori sono solidali, la direzione di rotazione è imposta dal più forte. Così, quando all’interno della membrana c’è una concentrazione di ioni idrogeno più bassa che all’esterno, come accade ad esempio nei batteri a causa di un processo fotosintetico, F_O è il motore più potente e F₁ è costretto a girare a rovescio. In termini chimici questo significa che si “consuma” una corrente di ioni idrogeno e si produce il prezioso ATP che fornisce energia agli organismi. Quando invece all’interno della membrana gli ioni idrogeno abbondano, prevale il motore F₁ che impone a F_O di girare a rovescio. In termini chimici questo significa che l’organismo può usare l’energia dell’ATP per pompare gli ioni idrogeno dove è necessario immetterli.

I motori costituiti dalle proteine naturali possono essere utilizzati per far funzionare dispositivi meccanici artificiali. Un esempio di questo tipo è mostrato nella Fig. 14 (Soong 2000). Unità di F₁-ATP sintasi, prelevate da un batterio, sono state fissate chimicamente su supporti metallici aventi diametro di circa 100 nm ed una altezza di circa 200 nm, fabbricati mediante litografia a fascio elettronico. Alla camma γ di ciascuna unità F₁ è stata attaccata una barretta di nickel di diametro pari a 150 nm e lunga circa 1.000 nm. Quando si fornisce energia al sistema sotto forma di ATP, i nanomotori F₁ si mettono a ruotare, trascinando nel loro movimento le barrette metalliche. Poiché queste ultime sono abbastanza grandi da poter essere osservate con un normale microscopio ottico, e i supporti metallici sono sufficientemente distanti fra loro, questo esperimento ha consentito di “filmare” il funzionamento di singoli motori biomolecolari.