Fiat lux! E la proteina aprì la porta agli ioni!

Ogni anno, quando vengono annunciati i premi Nobel, noi fisici aspettiamo con una certa impazienza quello per la Fisica. È un po' come aspettare gli Oscar per scoprire se ha vinto il film del nostro regista preferito. Quest'anno, però, il premio che mi ha colpito maggiormente è stato quello per la Medicina. E non per la mia solita ipocondria. Il Nobel 2026 per la Medicina è stato assegnato a Karl Deisseroth, Peter Hegemann e Georg Nagel per le loro scoperte sull'optogenetica. Una parola che sembra inventata da qualcuno particolarmente appassionato di acronimi, ma che nasconde un'idea meravigliosa: utilizzare la luce per controllare l'attività delle cellule, in particolare dei neuroni. Ora, accendere e spegnere i neuroni con la luce sembra una di quelle cose che nei film di fantascienza finiscono inevitabilmente nelle mani dello scienziato pazzo. Invece è diventata una delle tecniche più potenti delle neuroscienze moderne. E tutto grazie, almeno in parte, a una piccola alga unicellulare che aveva un problema molto concreto: capire da che parte arrivava la luce. Il che dimostra, ancora una volta, che in biologia conviene prestare attenzione anche agli organismi apparentemente meno ambiziosi. Mentre noi esseri umani passiamo una parte considerevole della nostra esistenza a chiederci quale direzione prendere nella vita, quell'alga aveva già trovato una soluzione piuttosto efficiente.

Una zuppa chiamata mesoscala

Due anni fa, più o meno in questi giorni, a Trento abbiamo fatto una cosa un po' strana. Abbiamo organizzato una conferenza scientifica cercando deliberatamente di evitare una delle attività preferite dagli scienziati durante le conferenze scientifiche: raccontare quanto è meraviglioso il proprio metodo. Non è stato facilissimo. Chi sviluppa un metodo computazionale tende infatti ad avere con esso una relazione molto simile a quella che alcuni genitori hanno con i propri figli: è il più bello, il più intelligente, risolve problemi che gli altri non riescono neppure a comprendere e, se non funziona, quasi certamente è colpa dell'utente. Noi volevamo provare a fare il contrario. Il workshop si chiamava Biomolecular Simulations at the Mesoscale e l'idea, nata insieme a Sarah Harris, Angelo Rosa, Ralf Everaers, Garegin Papoian e tanti altri colleghi, era abbastanza semplice da enunciare e molto più complicata da realizzare: invece di partire dai metodi, partiamo dai problemi. Chiediamo ai colleghi sperimentali che cosa riescono a vedere oggi e, soprattutto, che cosa non riescono ancora a capire. Poi mettiamo nella stessa stanza fisici teorici, chimici computazionali, modellisti, esperti di simulazioni, di membrane, di polimeri, di fluidodinamica, di cromatina, di proteine, e vediamo se viene fuori qualcosa. In altre parole: meno "guardate quanto è bello il mio martello", più "qual è esattamente il chiodo che dobbiamo piantare?".

Congresso SIBPA 2026: cronache da 311 kelvin

Luglio è un mese in cui normalmente cerco di stare il più lontano possibile da luoghi al di sotto del 45° parallelo. Il problema è che io, sopra i 300 kelvin, comincio ad avere cedimenti strutturali. Quest'anno però non c'era scelta. Dal 13 al 16 luglio si è tenuto il XXVIII Congresso Nazionale della Società Italiana di Biofisica Pura e Applicata (SIBPA), ospitato nello splendido Monastero dei Benedettini di Catania. Un luogo magnifico, costruito sopra una colata lavica del 1669 e ricostruito dopo il terremoto del 1693. Pensandoci bene, un edificio con una resilienza notevole: praticamente come quelle proteine che attraversano due enormi cambiamenti conformazionali senza mai denaturarsi. 

Naturalmente il monastero era bellissimo e le relazioni interessantissime, ma fuori c'erano tranquillamente trentotto, trentanove gradi. La sala delle conferenze era splendida, ma neppure l'aria condizionata riusciva a tenere testa all'estate siciliana. Ogni tanto sorprendevo me stesso a seguire contemporaneamente la relazione dello speaker di turno e il lento decadimento della mia capacità di attenzione, che sembrava seguire una cinetica del primo ordine direttamente proporzionale alla temperatura ambiente. 

Quando l'acqua smette di fare la comparsa (e Valeria continua ad avere 29 anni)

La settimana scorsa ero a Bristol per la conferenza annuale della CCPBioSim. Se non ne avete mai sentito parlare, non vi preoccupate: fino a tre anni fa non ne avevo mai sentito parlare nemmeno io. La CCPBioSim è una comunità di ricercatori che si occupano di biofisica computazionale e simulazioni molecolari. Il nome è decisamente più britannico che accattivante (Collaborative Computational Project for Biomolecular Simulation), ma dietro quell'acronimo un po' austero si nasconde una delle comunità scientifiche più vivaci e accoglienti che abbia conosciuto negli ultimi anni. Ci sono finito grazie a Sarah Harris (qui in foto), collega, amica e ottima biofisica computazionale, che un giorno mi disse più o meno: "Iscriviti alla mailing list della CCPBioSim. Fidati." Mi sono fidato. Tre anni dopo mi ritrovo a partecipare regolarmente ai workshop, a seguire seminari online, a discutere di membrane, proteine, intelligenza artificiale, dinamica molecolare e, naturalmente, a passare qualche serata davanti a una pinta di birra (o forse due?) con persone che considerano perfettamente normale discutere di campi di forza mentre provano le prelibatezze della cucina inglese. La conferenza di Bristol è stata esattamente così. Una di quelle conferenze da cui torni con molte più idee di quante ne avessi quando sei partito.

La proteina che fa le fossette con il colesterolo

Nella preistorica foto qui accanto compio un anno. Davanti a me c'è una torta di compleanno, e sul mio viso si vedono già delle caratteristiche che mi accompagneranno per il resto della vita: le fossette. Non posso dire di averle conquistate con il duro lavoro. Mi sono semplicemente capitate in dotazione insieme a tutto il resto. Non immaginavo che molti anni dopo, dopo una carriera nella biofisica computazionale e parecchi milioni di ore di CPU consumate, mi sarei ritrovato a scrivere un post che parla ancora di fossette. Eppure eccomi qui. Perché il lavoro che abbiamo appena pubblicato sul recettore sigma-1, una proteina tanto affascinante quanto difficile da inquadrare, ci ha portati a osservare qualcosa che assomiglia sorprendentemente a una fossetta. Non sul volto di una persona, naturalmente, ma sulla superficie di una membrana biologica. Ma forse sto correndo troppo. Prima dobbiamo fare la conoscenza del protagonista della storia. C'è una categoria di proteine che mi è sempre stata simpatica. Non perché siano semplici da studiare. Anzi, spesso è vero il contrario. Mi piacciono perché sembrano sfuggire continuamente alle classificazioni troppo rigide. Una di queste è il recettore sigma-1. Per anni nessuno ha capito bene cosa fosse. Recettore? Chaperone? Sensore? Regolatore? Un po' di tutto questo e forse qualcos'altro ancora. A proposito: un chaperone, in biologia, non è altro che una specie di accompagnatore molecolare. Il termine deriva dal francese chaperon, che indicava la dama di compagnia incaricata di sorvegliare le giovani ragazze nelle occasioni sociali, evitando incontri troppo avventurosi. Le proteine chaperone fanno qualcosa di sorprendentemente simile: impediscono ad altre proteine di prendere cattive decisioni, aggregarsi quando non dovrebbero, piegarsi nel modo sbagliato o finire nei posti sbagliati. Una sorta di genitore molecolare particolarmente apprensivo. Il recettore sigma-1, però, non si lascia definire così facilmente.

Membrane, mesoscala e altre cose che fluttuano più delle nostre certezze

Maggio è un mese curioso. Sulla carta è primavera piena, ma in pratica continua a oscillare tra giornate luminose e improvvisi ritorni di freddo, tra l’entusiasmo di essere quasi arrivati all’estate e la sensazione che qualcosa sia ancora instabile. Forse è anche per questo che mi è tornata voglia di scrivere di membrane biologiche. Le membrane, in fondo, sono sistemi che vivono esattamente lì: sul confine. Non sono solide, non sono liquide, non sono semplici barriere passive. Fluttuano, si deformano, si incurvano, si fondono, si rompono, si richiudono. Sono superfici dinamiche che fanno cose incredibilmente sofisticate pur essendo spesse pochi nanometri. E forse proprio per questo sono uno degli oggetti più belli da studiare in biofisica computazionale. Mi è venuto in mente leggendo un articolo recente sul Biophysical Journal dedicato alle simulazioni di membrane biologiche e ai problemi multiscala che inevitabilmente emergono quando si cerca di descriverle in modo realistico. Il lavoro è fortemente ancorato alla dinamica molecolare atomistica (e giustamente!), perché per capire davvero le interazioni locali tra lipidi, proteine e ambiente molecolare il dettaglio atomico resta fondamentale, ma il punto interessante è che tutto l’articolo ruota attorno a una domanda più ampia: come facciamo a collegare quello che succede su scala nanometrica ai fenomeni collettivi che osserviamo su scale molto più grandi?

Sono a pH 0: tutto il mio mondo è protonato!

C’è una cosa che negli ultimi tempi ho iniziato a prendere molto sul serio. Non solo nelle simulazioni, ma anche nella vita reale. Del resto, alcuni miei amici mi hanno detto qualche volta che il mio umore era in zona pH 0. E probabilmente in questa fase della mia vita accade anche più spesso: i motivi? Vecchiaia, solitudine, risposta alla situazione geopolitica mondiale, vai a capire, se proprio abbiamo voglia di capire. Fatto sta che, a quanto pare, tendo a diventare decisamente più acido del solito. Ora, a parte le conseguenze sociali di questa osservazione, c’è un punto interessante. Perché il pH, nella vita reale, è una metafora passabile. Nella biofisica delle proteine, invece, è una cosa tremendamente concreta. E, soprattutto, non è una proprietà che “c’è” o “non c’è”. È qualcosa che cambia continuamente, che dipende dall’ambiente, che modifica il comportamento delle molecole in modo sottile ma decisivo. Un po’ come l’umore, se vogliamo restare nella metafora, ma con meno giustificazioni e più protoni. Se chiedete a uno studente cosa sia il pH, probabilmente vi risponderà qualcosa tipo: “una misura dell’acidità”. Se insistete un po’, magari salta fuori un logaritmo, qualche concentrazione di protoni, e un vago senso di disagio. Poi arrivate a lavorare con le proteine, e improvvisamente il pH smette di essere un numeretto sul bordo di una provetta e diventa… una manopola. Non una manopola qualunque: una di quelle che, girate di poco, cambiano completamente il comportamento del sistema. Perché il pH, in fondo, misura quanti protoni ci sono in giro. E i protoni sono piccoli, mobili, e soprattutto molto democratici: si attaccano un po’ ovunque, a gruppi chimici che li vogliono più o meno trattenere. Quando un gruppo prende o perde un protone, cambia carica. E quando cambia carica, cambiano le interazioni. E quando cambiano le interazioni… cambia tutto il resto.