Proprietà dinamiche strutturali e funzionali di emoproteine inglobate in matrice di saccaridi o di gel di silice: accoppiamento con il mezzo esterno

Il progetto di ricerca dell'Unità di Palermo si articolerà sulle seguenti linee: A) Accoppiamento dei gradi di libertà interni di proteine a quelli della matrice esterna. A1) Inizialmente si conta di studiare la banda di associazione dell'acqua in sistemi zucchero-acqua in presenza di sali cosmotropi e caotropi, mediante spettroscopia FTIR, NIR (che consente il confronto con altre bande dell'acqua) e simulazioni quanto-meccaniche. L'obbiettivo è di avere informazioni: i) sulle sottobande della banda di associazione, anche in dipendenza dei microambienti in cui le molecole d'acqua si trovano; ii) sulla relazione fra la banda di associazione e altre bande dell'acqua. Si conta di estendere lo studio a sistemi contenenti anche betaina, MbCO o collagene. A2) Si conta di studiare, in seguito, le proprietà strutturali e dinamiche della proteina e della matrice, a vari rapporti saccaride/proteina, effettuando, per ogni valore del rapporto, misure a diversi contenuti d'acqua. Variare il rapporto proteina-zucchero consentirà di studiare tali proprietà in un ambiente affollato, in cui le interazioni fra macromolecole sono rilevanti nella regolazione dei processi. Tali studi saranno effettuati in sistemi MbCO-saccaridi-acqua, a varie concentrazioni di proteina. Ci si propone di estendere in seguito lo studio a sistemi complessi contenenti MbCO-zucchero-collagene ed acqua residua. B)Per determinare come l'affollamento macromolecolare influenzi il decadimento da stati eccitati e la funzione della MbCO, saranno effettuati esperimenti di flash fotolisi in sistemi analoghi a quelli descritti sopra (vedi punti A2 e D2). C)Stabilità strutturale, cambiamenti conformazionali e proprietà funzionali e dinamiche di mioglobina ed emoglobina incapsulate in idrogel di silice. C1) Inizialmente si studierà la correlazione tra la dinamica e la stabilità termica della mioglobina incapsulata in gel di silice. La dinamica sarà caratterizzata sia tramite gli spostamenti quadratici medi degli idrogeni non scambiabili (misurati con scattering elastico e quasi elastico di neutroni) sia tramite i moti del ferro relativi al piano dell'eme (misurati con spettroscopia ottica a temperature criogeniche); la stabilità termica sarà caratterizzata tramite calorimetria differenziale a scansione. Gli esperimenti saranno estesi a idrogel contenenti cosolventi (acqua/glicerolo o acqua/zucchero) in stretta connessione con gli studi descritti nella sezione A2. C2) Saranno studiate le cinetiche della transizione di struttura quaternaria di emoglobina sia in idrogel di silice sia in matrici di trealosio. Questo studio avverrà tramite spettroscopia ottica risolta sia spettralmente sia temporalmente. Recenti esperimenti hanno mostrato che è possibile identificare i contributi della struttura quaternaria su marker spettroscopici per la transizione T-R dell'emoglobina; inoltre, nella proteina incapsulata in idrogel di silice, le cinetiche sono rallentate dalle centinaia di secondi fino ad alcune settimane. In collaborazione con il prof. Joel Friedman (Albert Einstein College of Medicine, New York) si conta di estendere le misure all'intervallo temporale 5ns–200ms usando un sistema di flash-fotolisi spettralmente risolto. D) Studio delle proprietà strutturali-dinamiche di sistemi multiproteina mediante simulazioni di Dinamica Molecolare classica. Si prevede lo studio sistematico di sistemi modello multi-proteina in soluzione acquosa ed in presenza di zuccheri tramite Dinamica Molecolare classica. Questo studio sarà condotto in collaborazione con l'Unità di Roma. Saranno studiate i) la relazione tra struttura, dinamica e funzione di proteine globulari di media taglia in sistemi multicomponente, al variare del rapporto di concentrazione acqua-cosolvente, a differenti temperature; ii) la struttura e la dinamica del solvente all'interfaccia proteina-proteina ed il suo accoppiamento con la proteina.