2. MACCHINE MOLECOLARI NATURALI

Il movimento: dalle cellule agli organismi viventi

Il movimento è uno degli attributi principali della vita. La Natura ha dotato gli organismi viventi di aggregati supramolecolari molto complessi che lavorano all’interno delle cellule come congegni e dispositivi (per semplicità, li chiameremo macchine) atti a soddisfare i bisogni delle cellule stesse: promuovono reazioni chimiche che trasformano certe molecole in altre necessarie per la vita della cellula, trasportano materiale molecolare, copiano e trasducono il codice genetico nelle proteine, scambiano informazioni con altre cellule, ecc.

The Inner Life of the Cell. Una miriade di macchine molecolari all’opera all’interno di una cellula. Courtesy BioVision, Harvard University. Copyright © 2006 The President and Fellows of Harvard College.

Anche tutti i movimenti macroscopici degli organismi viventi, dai batteri alle balene, e le funzioni più nobili dell’uomo, dal parlare al pensare, sono conseguenze di miriadi di azioni e di movimenti a livello molecolare. Si stima che nel corpo umano siano all’opera circa diecimila diverse tipologie di macchine molecolari (Goodsell 2009)¹.

**Fig. 9.** Gran parte delle macchine molecolari naturali è formata da proteine, lunghe molecole costituite da catene di amminoacidi uniti fra loro mediante legami peptidici. Le catene di amminoacidi delle proteine tendono ad avvolgersi per dare strutture globulari capaci di svolgere ben precise funzioni. Crediti: RCSC PDB e David S. Goodsell, The Scripps Research Institute, La Jolla, USA.

L’esistenza delle macchine molecolari naturali è nota da molto tempo, ma solo negli anni più recenti si è iniziato a studiare in dettaglio i meccanismi del loro funzionamento (Schliwa 2003)². Si è visto che questi sistemi operano, nella dimensione dei nanometri, mediante movimenti di tipo meccanico, spesso complessi, ma a volte anche semplici, come rotazioni e spostamenti lineari di componenti del sistema supramolecolare. La cosa sorprendente è che in molti casi si tratta di movimenti apparentemente simili a quelli svolti da macchine del mondo macroscopico, anche se negli organismi tutto avviene in seguito ad interazioni di tipo chimico: in particolare mediante legami intermolecolari che si rompono o si formano. La somiglianza formale con i movimenti che avvengono nel mondo delle macchine macroscopiche permette di rappresentare schematicamente in forma grafica i movimenti delle macchine molecolari. In queste rappresentazioni grafiche spesso non è possibile riportare le formule o i modelli delle molecole coinvolte.

Spesso si ricorre, come vedremo, a schemi di vario tipo capaci di far capire le forme delle grandi molecole coinvolte, le loro reciproche interazioni e la funzione che il sistema supramolecolare svolge.
Nella realtà, le nanomacchine naturali hanno forme molto diverse da quelle delle macchine e degli oggetti del mondo macroscopico. Sembrano grossi agglomerati di atomi, ammonticchiati senza alcuna apparente pianificazione.
La grande maggioranza delle macchine molecolari naturali, infatti, è formata da proteine, molecole costituite da catene modulari di amminoacidi (Fig. 9) che tendono ad avvolgersi per dare strutture globulari. Queste catene possono contenere da una dozzina fino a migliaia di amminoacidi, a seconda della funzione che debbono svolgere.