Il contributo delle nanoscienze alla comprensione dei fenomeni biologiciIl contributo delle nanoscienze alla comprensione dei fenomeni biologici

Mariano VenanziMariano VenanziBio-NAST LaboratoryBio-NAST LaboratoryUniversità di Roma Tor VergataUniversità di Roma Tor Vergatavenanzi@uniroma2.itvenanzi@uniroma2.it

Single Molecule DetectionSingle Molecule DetectionRivelazione ottica e manipolazione di singole molecoleRivelazione ottica e manipolazione di singole molecole

Scanning Tunneling MicroscopyScanning Tunneling Microscopy effetto tunnel elettronico

Atomic Force MicroscopyAtomic Force Microscopy interazioni elettroniche deboli

L’STM ha permesso non solo di L’STM ha permesso non solo di vedere vedere singole singole

molecole , ma anche di molecole , ma anche di toccare toccare e e spostare spostare singoli atomisingoli atomi

o di o di sentire sentire le loro vibrazioni.le loro vibrazioni.

Da questo punto di vista, l’STM può essere considerato Da questo punto di vista, l’STM può essere considerato

come gli occhi, le mani e le orecchie dei ricercatori. come gli occhi, le mani e le orecchie dei ricercatori.

Uno strumento unico capace di connettere il mondo Uno strumento unico capace di connettere il mondo

macroscopico dei nostri sensi al mondo nanometrico macroscopico dei nostri sensi al mondo nanometrico

degli atomi e delle molecole.degli atomi e delle molecole.

Saw-Wai Hla, Ohio UniversitySaw-Wai Hla, Ohio University

Immagine STM ad alta risoluzione di un DNA plasmide su micaImmagine STM ad alta risoluzione di un DNA plasmide su mica

Nella posizione della freccia il DNA ha una larghezza di 3nm e Nella posizione della freccia il DNA ha una larghezza di 3nm e una altezza di 0.65 nm.una altezza di 0.65 nm.Parametri di tunneling: -1.9V, 0.3 pA.Parametri di tunneling: -1.9V, 0.3 pA.

Citocromo c su Au(111)Citocromo c su Au(111)

Electron Transfer ProteinsElectron Transfer Proteins

26nmx26nm26nmx26nm 10nmx10nm10nmx10nm

Corral quantistici: Corral quantistici: atomi di Ferro su Cu(111) (r=7.3 nm)atomi di Ferro su Cu(111) (r=7.3 nm)

Xe su Ni(110)Xe su Ni(110) CO su Cu(110)CO su Cu(110)

Imaging di biomolecole in condizioni fisiologiche Imaging di biomolecole in condizioni fisiologiche

DNADNA Complessi DNA-proteinaComplessi DNA-proteina

100 pN 200 pN 100 pN 200 pN

Bacteriorodopsina nella membrana cellulare citoplasmaticaBacteriorodopsina nella membrana cellulare citoplasmatica

Strato cellulare protettivo di Deinococcus radioduransStrato cellulare protettivo di Deinococcus radiodurans

5 nm Cr + 50 nm Au + tioalcano funzionalizzato (X)

2 x 2

““Impara ad usare la forza”Impara ad usare la forza”

Quanta forza serve per svolgere un tratto di DNA?Quanta forza serve per svolgere un tratto di DNA?

Spettroscopia di singola molecolaSpettroscopia di singola molecola

caratterizzazione di popolazioni eterogenee di molecole- distribuzioni locali, traiettorie nel tempo

fluttuazioni in condizioni di equilibrio

cinetiche di reazione di singoli componenti in condizioni di non-equilibrio- intermedi e cammini di reazione

Studio di singole biomolecole in condizioni fisiologiche

Le dimensioni di un probe (≈0.1 nm) sono molto minori della luce emessa (≈500 nm). Lo spot di luce può essere localizzato con grande precisione (decimi di nanometro).

Funzionalizzazione di biomolecole mediante sonde Funzionalizzazione di biomolecole mediante sonde fluorescenti legate covalentemente e in maniera specificafluorescenti legate covalentemente e in maniera specifica

Fluorescenza di Fluorescenza di singole molecole di singole molecole di flavoenzima. flavoenzima. Ogni picco Ogni picco rappresenta una rappresenta una molecola del molecola del cofattore flavina cofattore flavina legata all’enzima.legata all’enzima.

La reazione enzimatica di ogni singolo addotto enzima/cofattore puo’ essere seguita in tempo reale

Lampadine molecolari: Lampadine molecolari: molecole che si accendono quando si leganomolecole che si accendono quando si legano

Biomolecole legate a sferette di polistirene o di silice (≈1Biomolecole legate a sferette di polistirene o di silice (≈1m)m)

Boyer and Walker , Nobel 1997Boyer and Walker , Nobel 1997

Un motore a scatti di 120°Un motore a scatti di 120°

Il motore F0Il motore F0Il motore F1Il motore F1

Membrana mitocondrialeMembrana mitocondriale

Nel mitocondrioNel mitocondrio

Kinesina in moto : un trasportatore al lavoroKinesina in moto : un trasportatore al lavoro

Una molecola di ATP Una molecola di ATP 8 nm 8 nm

Un esperimento a due trappole!Un esperimento a due trappole!

weak trapweak traptight traptight trap

410 s410 s

3 s3 s

NanoNanoBioBio

Biomateriali e processiBiomateriali e processi

ModelliModelli

StrumentiStrumenti

Scienza e piattaforme tecnologicheScienza e piattaforme tecnologiche