Dal Nano al Bio

1. S P A I S  2006 Scuola Permanente per l’Aggiornamento Dal Nano al Bio Il contributo delle nanoscienze alla comprensione dei fenomeni biologici Mariano Venanzi Bio-NAST Laboratory Università di Roma Tor Vergata venanzi@uniroma2.it

2. Alle origini di una rivoluzione dell’immaginario scientifico Scanning Tunneling Microscopy effetto tunnel elettronico Atomic Force Microscopy interazioni elettroniche deboli Single Molecule Detection Rivelazione ottica e manipolazione di singole molecole

5. L’STM ha permesso non solo di vedere singole molecole , ma anche di toccare e spostare singoli atomio di sentire le loro vibrazioni. Da questo punto di vista, l’STM può essere considerato come gli occhi, le mani e le orecchie dei ricercatori. Uno strumento unico capace di connettere il mondo macroscopico dei nostri sensi al mondo nanometrico degli atomi e delle molecole. Saw-Wai Hla, Ohio University

7. Immagine STM ad alta risoluzione di un DNA plasmide su mica Nella posizione della freccia il DNA ha una larghezza di 3nm e una altezza di 0.65 nm. Parametri di tunneling: -1.9V, 0.3 pA.

8. Citocromo c su Au(111) Electron Transfer Proteins 26nmx26nm 10nmx10nm

9. Manipolare atomi e molecole

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

11. Scrivere con una punta Xe su Ni(110) CO su Cu(110)

12. Microscopio a Forza Atomica (AFM)

13. Imaging di biomolecole in condizioni fisiologiche Complessi DNA-proteina DNA

14. Bacteriorodopsina nella membrana cellulare citoplasmatica 100 pN 200 pN

15. Pori che si aprono, pori che si chiudono Strato cellulare protettivo di Deinococcus radiodurans

16. Punte funzionalizzate 5 nm Cr + 50 nm Au + tioalcano funzionalizzato (X)

17. Patterning con AFM 2  x 2 

18. Spettroscopia di forza “Impara ad usare la forza”

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

21. Interazione proteina-proteina

23. Spettroscopia di singola molecola

24. Fluorescenza di singola molecola Studio di singole biomolecole in condizioni fisiologiche • 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

26. Funzionalizzazione di biomolecole mediante sonde fluorescenti legate covalentemente e in maniera specifica 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).

27. Lampadine molecolari: molecole che si accendono quando si legano Fluorescenza di singole molecole di flavoenzima. Ogni picco rappresenta una molecola del cofattore flavina legata all’enzima. La reazione enzimatica di ogni singolo addotto enzima/cofattore puo’ essere seguita in tempo reale

28. Coppie di probes donatore-accettore di fluorescenza

29. Dinamica Conformazionale di Proteine

31. Processi di associazione ione-peptide

32. DNA al lavoro

33. Trappole ottiche (Optical Tweezers)

34. Bio-meccanica Biomolecole legate a sferette di polistirene o di silice (≈1m)

35. Un motore biologico a protoni e ATP Boyer and Walker , Nobel 1997

36. Un motore a scatti di 120°

37. Il motore F1 Il motore F0 Membrana mitocondriale Nel mitocondrio

38. Kinesina in moto : un trasportatore al lavoro Una molecola di ATP  8 nm

39. La macchina da scrivere genetica Un esperimento a due trappole!

40. 410 s 3 s tight trap weak trap

41. Concludendo..... Nano Biomateriali e processi Bio Modelli Strumenti Scienza e piattaforme tecnologiche