Lettura corsiniana dei Soci Bolognesi e Oberti: Dai minerali alle molecole della vita

A partire dalla metà del secolo scorso, attraverso l’uso di apparecchiature a raggi X sempre più affidabili e automatiche, possiamo determinare con grande precisione la struttura tridimensionale delle sostanze allo stato solido, conoscere cioè sia la natura degli atomi in esse presenti sia le loro relazioni spaziali (e quindi i legami e le geometrie degli eventuali siti attivi presenti). Questo approccio ha portato ad una rivoluzione in molte discipline, perché finalmente si sono potuti studiare i rapporti tra composizione, struttura e proprietà della materia.

Nella Chimica, specialmente nella chimica organica ma anche in quella dei materiali, si sono potuti infatti determinare correttamente i meccanismi di reazione, e soprattutto si è potuta dare la giusta importanza alla geometria tridimensionale dei siti di reazione. E questo ha portato alla progettazione, per esempio, di nuovi catalizzatori, di nuove molecole attive, di nuovi farmaci.

Per le Scienze della Terra, le cose sono un po’ più complicate perché all’interno di un determinato tipo di struttura (che caratterizza una famiglia di minerali), si possono avere composizioni e distribuzioni chimiche diverse a seconda sia degli ambienti geologici che delle condizioni di formazione. E quando queste ultime variano, le strutture si modificano, dando origine (per esempio) a transizioni di fase, deidrogenazione, disidratazione, e anche collasso strutturale. E’ stato quindi necessario caratterizzare in maniera sistematica le variazioni di un dato tipo strutturale in funzione non solo della composizione ma anche della temperatura e della pressione, quindi lavorando in condizioni sperimentali variabili per simulare ciò che avviene durante un processo geologico. Le variazioni da studiare sono spesso minime, e al lavoro cristallografico si devono perciò affiancare anche altre tecniche (spettroscopiche, microanalitiche) per ricostruire correttamente le sequenze dei cambiamenti cristallochimici. In questo modo, si sono potuti ottenere sia modelli dettagliati e dinamici delle proprietà di un minerale e del suo ruolo all’interno di un processo geologico, sia parametri quantitativi fondamentali per il lavoro dei petrologi e dei geologi, che studiano la dinamica delle rocce ad una scala ben diversa. E a volte si sono ottenuti anche spunti efficaci per la progettazione di nuovi materiali con proprietà particolari.

Con l'avvento di strumenti di analisi sempre più potenti, come quelli forniti dalla radiazione di sincrotrone, da circa 30 anni si è potuto affrontare anche lo studio su larga scala delle molecole biologiche, tra cui proteine e acidi nucleici. È nata così la Biologia Strutturale, che ha conosciuto uno sviluppo straordinario, contribuendo all'assegnazione di almeno dieci premi Nobel. I risultati finora ottenuti sono stati raccolti nel Protein Data Bank (https://www.rcsb.org/), una banca dati pubblica che offre informazioni dettagliate e immagini sulle strutture delle macromolecole biologiche. Questo approccio sistematico consente ai ricercatori di tutto il mondo di studiarne differenze e analogie, migliorando così la nostra comprensione dei processi cellulari a livello molecolare. L'impatto sulla conoscenza e su svariate discipline è straordinario, dalla biochimica di base - ad es. lo studio dei meccanismi di azione degli enzimi - alle biotecnologie, alla progettazione razionale di nuovi farmaci e alla previsione della struttura tridimensionale delle proteine grazie anche a metodi basati sull’intelligenza artificiale.

Dal 2015, la microscopia elettronica a temperature criogeniche ha assunto un ruolo fondamentale nello studio delle strutture dei grossi complessi molecolari cellulari, permettendo l'analisi di campioni biologici in quantità infinitesime, inclusi estratti bioptici e materiali ex-vivo. Questa tecnologia ha aperto nuove frontiere di ricerca, avvicinandosi alla medicina personalizzata e offrendo opportunità senza precedenti per la comprensione e la cura delle malattie. Il premio Nobel per la Chimica del 2017 testimonia l'impatto di questa scoperta.

In conclusione, l’integrazione di metodologie derivanti dalla Fisica delle alte energie, dalla microscopia elettronica e dalla biologia molecolare ha aperto nuove prospettive di indagine sulla struttura della materia. Queste ricerche abbracciano sia il mondo inorganico, come quello dei minerali e dei materiali, sia quello organico e biologico, strettamente legato alle molecole della vita. L'evoluzione tecnologica, supportata dalle soluzioni informatiche più avanzate, come l'intelligenza artificiale, è in grado quindi di guidare il progresso di una scienza sempre più in sintonia con le esigenze del pianeta e dei suoi abitanti.