Autofagia, transizioni topologiche, nanomacchine: i Nobel 2016

Nei giorni scorsi sono stati assegnati i tre premi Nobel 2016 per le materie scientifiche (medicina e fisiologia, fisica, chimica). Quali sono le ricerche che sono state premiate quest’anno? Vi offriamo una breve carrellata riassuntiva.

Medicina e Fisiologia

Il premio è stato assegnato al biologo giapponese Yoshinori Ohsumi, che ha descritto le fasi del meccanismo cellulare chiamato autofagia autofagocitosi.

In genere, l’attività di una cellula si svolge in un delicato equilibrio tra sintesi di prodotti e strutture cellulari da una parte, e loro degradazione e riciclaggio dall’altra. In condizioni critiche (per esempio, carenza di nutrienti) la cellula attiva una serie di meccanismi con cui sacrifica alcune delle proprie strutture per estrarne energia da destinare alle funzioni basilari per la sopravvivenza.

L’autofagia è uno tra questi meccanismi fondamentali, e viene attivata quando la funzionalità di uno o più organuli cellulari (mitocondri, ribosomi, ecc.) è compromessa in modo irreversibile a causa di processi traumatici o infettivi, o quando vi sono proteine inutilizzate nel citoplasma.

Immagine © University of Maryland School of Medicine
Immagine © University of Maryland School of Medicine

Anomalie nel processo di autofagia possono portare a diverse condizioni patologiche: tumori anche maligni, malattie autoimmuni (osteoartrite) e neurodegenerative (morbo di Parkinson). È stato osservato che l’efficacia dei processi di autofagia decresce con l’età, e si pensa che questo sia alla base dell’accumulo di danni cellulari che porta al processo di invecchiamento.

Fisica

Il premio è stato assegnato a tre fisici britannici che lavorano negli Stati Uniti: David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per le applicazioni della topologia sulle transizioni di fase in stati della materia molto particolari, chiamati stati esotici.

In determinate condizioni, alcuni materiali acquisiscono proprietà peculiari e generalmente molto interessanti, come la capacità di condurre elettricità senza dissipare calore (superconduttività) o, per i fluidi, di scorrere senza opporre resistenza meccanica (superfluidità). Alla base di questi comportamenti macroscopici vi sono interazioni tra i costituenti atomici ed elettronici della materia descritte dalla meccanica quantistica, ma come queste, alle bassissime temperature, vadano a comporsi per dar luogo ai fenomeni esotici non è del tutto ben compreso. Inoltre, non era chiaro se disposizioni bidimensionali (pellicole o superfici di rivestimento) o unidimensionali (filamenti) avrebbero effettuato una transizione di fase acquistando dunque le stesse proprietà dei materiali in tre dimensioni.

I tre vincitori del Nobel hanno applicato a questi stati della materia i concetti tipici di una particolare branca della matematica, la topologia, per la quale sono importanti tutte quelle proprietà fisico-matematiche dello spazio che si conservano quando gli oggetti vengono modificati senza essere tagliati, bucati o incollati. Per la topologia, tutti gli oggetti che hanno lo stesso numero di buchi (come una ciambella e una tazza col manico) sono equivalenti tra loro, possono essere descritti con la stessa matematica e hanno le stesse proprietà.

Immagine LucasVB/Wikimedia Commons
Immagine LucasVB/Wikimedia Commons

Ebbene, la topologia ha dimostrato di avere un’importanza cruciale nel descrivere le transizioni di fase negli stati esotici della materia, può spiegare alcuni effetti osservati in una o due dimensioni (come l’effetto Hall quantistico) e apre nuovi orizzonti nella fisica dei materiali condensati, che vanno fino all’informatica quantistica.

Chimica

Sembrerà strano, ma non succedeva da diversi anni che il Nobel per la chimica fosse assegnato a dei chimici veri e propri. I vincitori di quest’anno sono il francese Jean-Pierre Sauvage, l’olandese Bernard L. Feringa e lo scozzese Sir Fraser Stoddart per la progettazione la sintesi di macchine molecolari.

Già negli anni Ottanta, il fisico Premio Nobel Richard Feynman aveva pronosticato la realizzazione di macchine piccolissime, di dimensioni paragonabili al milionesimo di millimetro, controllabili tramite impulsi elettrici e governate da forze di interazione su scale atomiche grazie alle quali le molecole possono riconoscersi e auto-organizzarsi, generando dei veri e propri dispositivi. I tre chimici insigniti del premio hanno realizzato nanomacchine in grado di convertire energia chimica in movimento meccanico regolabile e misurabile.

Immagine © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy Of Sciences
Immagine © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy Of Sciences

Le applicazioni della cosiddetta chimica supramolecolare, che studia appunto queste nanomacchine, possono trovare impiego in una gamma di campi potenzialmente vastissima, ai confini tra chimica, medicina e biologia, dall’ecologia alla scienza dei materiali fino alle cure personalizzate, affiancando e spronando lo sviluppo delle nanotecnologie.

Per informazioni più dettagliate sui vincitori del Nobel e le loro ricerche, vi invitiamo a visitare il sito del Premio Nobel. Nei prossimi giorni discuteremo, in un articolo a parte, le controversie legate alle assegnazioni di quest’anno.

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