Un fenomeno trascurato

Di University of California - Santa Barbara28 gennaio 2023

Secondo i ricercatori, questo comportamento appena scoperto ha implicazioni per comprendere la funzione degli ioni fosfato nella biocatalisi, il bilancio energetico nelle cellule e la formazione di biomateriali.

Nel corso di un'indagine altrimenti semplice sul processo di assemblaggio dei cluster di calcio-fosfato, un team di ricercatori dell'Università della California, di Santa Barbara e dell'Università di New York si è imbattuto in una scoperta inaspettata: gli ioni fosfato nell'acqua hanno la tendenza a passare dalla loro forma frequentemente osservata stato idratato e uno stato "oscuro" precedentemente sconosciuto e misterioso.

I ricercatori ritengono che questo comportamento appena scoperto abbia implicazioni significative per comprendere la funzione degli ioni fosfato nella biocatalisi, il bilancio energetico all’interno delle cellule e la creazione di biomateriali. Lo studio è stato recentemente pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences.

Fosfato bicalcico in polvere. Credito: Università della California – Santa Barbara

"Phosphate is everywhere," said UCSB chemistry professor Songi Han, one of the authors of a paper in the Proceedings of the National Academy of Sciences. The ion consists of one phosphorus atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom surrounded by four oxygen atoms. "It's in our blood and in our serum," Han continued. "It's in every biologist's buffer, it's on our DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person's body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DNA and RNARibonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule similar to DNA that is essential in various biological roles in coding, decoding, regulation and expression of genes. Both are nucleic acids, but unlike DNA, RNA is single-stranded. An RNA strand has a backbone made of alternating sugar (ribose) and phosphate groups. Attached to each sugar is one of four bases—adenine (A), uracil (U), cytosine (C), or guanine (G). Different types of RNA exist in the cell: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), and transfer RNA (tRNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">RNA." È anche un componente strutturale delle nostre ossa e delle membrane cellulari, ha aggiunto.

Quando si legano al calcio, i fosfati formano piccoli grappoli molecolari nel loro cammino verso la formazione di depositi minerali nelle cellule e nelle ossa. Questo è ciò che Han e i collaboratori Matthew Helgeson dell'UCSB e Alexej Jerschow della New York University si stavano preparando a studiare e caratterizzare, nella speranza di scoprire comportamenti quantistici nei cluster simmetrici di fosfati proposti dal professore di fisica dell'UCSB Matthew Fisher. Ma prima, i ricercatori hanno dovuto organizzare esperimenti di controllo, che prevedevano scansioni di ioni fosfato in assenza di calcio tramite spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) e microscopia elettronica a trasmissione criogenica (cryo-TEM).

Ma mentre gli studenti dell’UCSB e della NYU impegnati nel progetto stavano raccogliendo dati di riferimento, che coinvolgevano l’isotopo naturale del fosforo 31 in soluzioni acquose a diverse concentrazioni e temperature, i loro risultati non corrispondevano alle aspettative. Ad esempio, ha detto Han, si suppone che la linea che rappresenta lo spettro del 31P durante le scansioni NMR si restringa con l'aumentare della temperatura.