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Come smascherare una macromolecola IL RICONOSCIMENTO A STOCCOLMA IL 10 DICEMBRE Come smascherare una macromolecola I TRE VINCITORI DEL PREMIO NOBEL 2002 PER LA CHIMICA HANNO SVILUPPATO SISTEMI INNOVATIVI PER SCOPRIRE LA STRUTTURA DI COMPOSTI BIOLOGICI COMPLESSI CON SPETTROMETRIA DI MASSA E LASER Gian Angelo Vaglio (*) IL premio Nobel 2002 perla Chimica è stato assegnato dalla Reale Accademia Svedese delle Scienze a tre ricercatori che hanno sviluppato metodi di identificazione e di analisi strutturale di macromolecole biologiche. La spettrometria di massa è la metodica utilizzata da due dei vincitori, lo statunitense John Fenn, che ha svolto le sue ricerche alla Yale University fino al 1994 e poi alla Vii-jginia Commonwealth University di Richmond e il giapponese Koichi Tanaka che lavora presso la Shimadzu Corporation di Kyoto. Nata alla fine del diciannovesimo secolo, la spettrometria di massa è stata utilizzata per lo studio di molecole di piccole dimensioni fino a non. molti anni fa, in quanto richiedeva che i campioni potessero essére portati facilmente allo stato gassoso. Il principio del metodo consiste infatti nella trasformazione delle molecole dei campioni in ioni, particelle elettricamente .cariche che vengono separate, mediante campi elettrici o magnetici in condizioni di vuoto molto spinto, in base al rapporto tra la loro massa e la loro carica, il che permette la loro identificazióne. L'insieme degli ioni generato da un campione costituisce il suo spettro di massa e consente di distinguerne i componenti. Per molti anni numerosi sono stati i tentativi di sviluppare nuovi metodi di ionizzazione, in grado di trasformare, in ioni anche campioni non volatili come quelli costituiti da molecole complesse, tipiche dei sistemi viventi. Da decenni, infatti, gli Scienziati stanno cercando risposte a quesiti fondamentali che sono alla base dei processi biochimici delle cellule e stanno accumulando le informazioni ricavate dalla genomica e più recentemente dalla proteomica (studio delle proteine espresse da un genoma) per giungere alla comprensione dei meccanismi delle malattie. La spettrometria di massa è diventata una delle metodiche più interessanti in questo settore grazie agli studi di J. Fenn e K. Tanaka. John Fenn ha sviluppato nel suo laboratorio, a partire dal 1984, un nuovo metodo di ionizzazione, noto nel mondo scientifico con l'acronimo ESI (ElectroSpray lonization), e alla conferenza dell'ASMS (American Society for Mass Spectrometry) del 1988 ha presentato i primi risultati ottenuti con la ionizzazione elettrospray riguardanti l'identificazione di polipeptidi e proteine. Il metodo consiste nel far passare le molecole in studio, presenti in soluzione, attraverso un ago a cui è apphcato un potenziale elettrico di alcuni chilovolt. Si forma in questo modo una nebbia di minutissime goccioline cariche che si muovono verso la fenditura di ingresso dello spettrometro di massa. Un flusso di gas, in direzione opposta, fa evaporare il solvente e diminuire le dimensioni delle goccioline fino a quando la densità di carica aumenta tanto da provocarne l'esplosione e produrre ioni multicarichi. Le cariche degli ioni hanno valori che variano in un largo intervallo, da due a quaranta o più. Siccome in uno spettro di massa gli ioni sono separati in funzione del rappor-, to massa/carica si osserva in questi casi una serie regolare di segnali dovuti a ioni che hanno la stessa massa, quella delle molecole introdotte, e carica diversa. Con un metodo di calco¬ lo si ottiene, infine, la massa molecolare del campione con un'altissima accuratezza perché basata sulla presenza simul- ' tanea di numerosi segnali. Le applicazioni di maggiore interesse del metodo ESI sono la caratterizzazione di proteine e lo studio di complessi costituiti da proteina-proteina ed enzimar substrato. Quasi contemporaneamente in Giappone veniva messo a punto da Koichi Tanaka un altro processo di ionizzazione basato sull'interazione di luce laser sul campione in condizioni blande. I primi spettri di massa di proteine ottenuti con questo metodo, chiamato SLD (Soft Laser Desorption), furono presentati ad un Congresso ad Osaka nel 1987. Il metodo era stato ideato negli anni precedenti all'Università di Munster da Karas e Hillekamp, che hanno sviluppato, qualche tempo dopo gli esperimenti di Tanaka, il metodo MALDI (Matrix Assi--. sted Laser Desorption lonization) in cui l'azione di luce laser sul campione, dissolto in una opportuna matrice viscosa, permette di trasferire in fase gassosa intere macromolecole sotto forma di ioni. L'accoppiamento della sorgente ionica MALDI con un anahzzatore a tempo di volo (TOF: Time Of Flight, sistema che permette di caratterizzare gli ioni in funzione del diverso tempo impiegato per percorrere un definito cammino) è il metodo spettrometrico di mas¬ sa attualmente più utilizzato per la determinazione della massa molecolare di macromolecole biologiche. L'attribuzione del premio Nobel 2002 a due ricercatori che operano nel campo della spettrometria di massa è un importante riconoscimento ad una metodica che si-sta dimostrando sempre più fondamentale per lo sviluppo della ritìerca scientifica nella scienza della vita e in altri settori di notevole interesse quali la studio ed il controllo ambientale e la scienza dei materiah. (*) Università dì Torino ti Nobel 2002 per la Chimica è stato assegnato a John Fenn (foto), Koichi Tanaka e Kurt Wutrich. Hanno contribuito alla determinazione della struttura delle molecole biologiche'