Il raffreddore comune. Si potrà contrastarlo dall’inizio?

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Rinaldo Cervellati

A tutti è capitato di “prendere il raffreddore” anche più di una volta nella stessa stagione. Come noto, il raffreddore comune, o semplicemente raffreddore, è un’infezione virale infettiva del tratto respiratorio superiore che inizialmente colpisce il naso. Il sintomo iniziale sono sternuti ripetuti e muco al naso che presto si accompagnano a tosse, irritazione alla gola, svogliatezza, scarso appetito, molto raramente febbre. Generalmente questa malattia, ancorchè fastidiosa, si risolve in pochi giorni anche se i sintomi, comunque in regressione, possono durare qualche tempo di più.

Negli umani, il raffreddore comune è causato principalmente dai rhinovirus, che proliferano alla temperatura di 33-35°C, intervallo che contiene appunto le tipiche temperature interne del naso.

Sono state classificate tre specie di rhinovirus (A, B e C), che comprendono circa 160 tipi riconosciuti di rinovirus umani che differiscono in base alle loro proteine ​​di superficie. Sono tra i virus più piccoli, con un diametro di circa 30 nanometri (per confronto, i virus dell’influenza, ben più pericolosi, sono intorno agli 80-120 nm).

Superficie molecolare di un rinovirus umano, i picchi proteici in blu

Non esistono vaccini per il raffreddore comune. Poiché si tratta di una malattia in larghissima misura a decorso benigno viene usualmente trattata con farmaci sintomatici.

Tuttavia, in persone affette da altre patologie, come asma, broncopatie croniche ostruttive e fibrosi cistica,“prendere un raffreddore” può essere molto pericoloso. Inoltre, secondo dati dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, nei Paesi in via di sviluppo le infezioni da raffreddore comune sono complicate da infezioni batteriche  più frequentemente rispetto ai paesi industrializzati.

Per questi motivi è interessante la notizia, riportata da Stu Borman nell’edizione on-line di Chemistry & Engineering Newsletter del 17 maggio scorso, della scoperta di una molecola in grado di bloccare la replicazione dei rhinovirus.*

Edward W. Tate e Roberto Solari dell’Imperial College di Londra, coordinatori di un folto gruppo di ricerca, hanno identificato una piccola molecola, IMP-1088, che impedisce la riproduzione del rhinovirus inibendo un enzima umano chiamato N-myristoyltransferase (A. Mousnier, A.S. Bell et al., Fragment-derived inhibitors of human N-myristoyltransferase block capsid assembly and replication of the common cold virus., Nature Chemistry, 2018, DOI: 10.1038/s41557- 018-0039-2).

Edward W. Tate, Faculty of Natural Sciences, Department of Chemistry, Imperial College

Una delle caratteristiche dei virus è l’incapacità di vivere in maniera autonoma. Il virus deve infettare le cellule dell’ospite (in questo caso cellule umane) costringendole a produrre le molecole che gli servono per replicare numerosissime, copie di se stesso. Uno degli strumenti necessari al rhinovirus per costruire l’involucro proteico (il càpside) che custodisce il suo materiale genetico è l’enzima N-miristoiltransferasi, che si trova all’interno delle cellule umane. La molecola individuata dagli inglesi è in grado di “sabotare” questo enzima. Si aggirerebbe così anche il problema della varietà delle molte specie di rhinovirus, poiché tutte usano lo stesso materiale proteico per assemblare il loro càpside.

In breve, diffrattometria a raggi X e altre tecniche hanno dimostrato che due inibitori identificati dai ricercatori all’inizio del loro studio hanno colpito due diversi siti dell’enzima umano. Essi, utilizzando anche la tecnica del drug design per unire frammenti attivi dei due inibitori in una struttura con le desiderate proprietà farmacologiche, hanno infine sintetizzato IMP-1088.

Nei test di attività in vitro, su colture di cellule umane infette, IMP-1088 ha bloccato la miristoilazione, la replicazione virale e l’infettività senza risultare tossica per le cellule. Il composto ha attività antivirale nanomolare contro diversi ceppi di rinovirus e anche contro virus affini come i poliovirus e quelli dell’afta epizootica.

Per essere efficace, l’IMP-1088 deve essere somministrato alle cellule entro poche ore dall’infezione. Gli studi in vivo non sono ancora iniziati, quindi i ricercatori non sanno se questa finestra temporale dovrà essere applicata anche agli animali o alle persone.

Secondo i ricercatori britannici, un potenziale vantaggio di IMP-1088 è che i virus potrebbero avere difficoltà a sviluppare resistenza a un farmaco che contrasta un enzima umano.

Il Dr. Hong Wei Chu, esperto in biologia cellulare delle vie aeree e infezioni virali nel principale ospedale respiratorio, il National Jewish Health, nel ribadire che saranno necessari studi su modelli animali e pre-clinici clinici perché molteplici fattori cellulari e immunitari influenzeranno l’efficacia terapeutica definitiva di IMP-1088.

Hong Wei-Chu

Nel complesso commenta: questi nuovi risultati potrebbero fornire un nuovo approccio per prevenire o curare l’infezione da rhinovirus.

*La notizia è stata anche riportata da Elena Dusi, su La Repubblica Salute del 14 maggio scorso:

Allo studio il farmaco che può bloccare il raffreddore

Una molecola impedisce al virus di replicarsi. La ricerca inglese, pubblicata su Nature Chemistry, è ancora nelle prime fasi di sperimentazione. Ma promette di funzionare su tutti i ceppi di microbi.

Notare la solita confusione fra virus e microbi, a meno che con microbo la giornalista intende riferirsi a tutte le specie viventi invisibili all’occhio nudo, dai virus ai battéri, ecc.

L’articolo completo in:

http://www.repubblica.it/salute/2018/05/14/news/allo_studio_il_farmaco_che_puo_bloccare_il_raffreddore-196396622/?ref=search

Scienziate che avrebbero potuto vincere il Premio Nobel: Maria Bakunin (1873-1960)

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Rinaldo Cervellati

Maria (Marussia, per famigliari e amici) Bakunin, straordinaria figura di donna e scienziata italiana napoletana, merita un post di rilievo in questa rassegna. Di origine russa, terzogenita del famoso filosofo libertario Michail Bakunin[1] e di Antonia (Antossia) Kwiatowoska, nacque a Krasnojarks (Siberia centrale) il 2 febbraio 1873. Tre anni dopo la nascita morì il padre e tutta la famiglia si trasferì a Napoli dove Michail aveva stabilito forti legami fondandovi un giornale e un’associazione libertaria.

Maria Bakunin ha passato praticamente tutta la sua vita personale e professionale a Napoli, fornendo fondamentali contributi in stereochimica, chimica organica di sintesi e fotochimica in un’epoca in cui senza metodi strumentali, ma solo attraverso manipolazioni chimiche, i chimici riuscivano a riconoscere i “pezzi” di una molecola e ad assemblarli in un’unica struttura. Per molto tempo quasi dimenticata, in anni più recenti sono comparse molte biografie e ricordi di studiosi italiani, fra questi vanno in particolare menzionati Rodolfo Alessandro Nicolaus[2] e Pasqualina Mongillo[3] alle cui opere [1,2] ho attinto per questo post. Una sua biografia si trova anche nel libro European Women in Chemistry [3].

Ritratto di Maria Bakunin,dono del Prof. R.A. Nicolaus all’Accademia Pontaniana

A Napoli, fra ideali di libertà e stimoli intellettuali, la giovane Maria ricevette un’ottima educazione: quella educazione distaccata che potenzia il controllo di se stessi [2]. Conseguì il diploma di maturità classica al liceo Umberto I, si iscrisse quindi a chimica cominciando nel 1890, ancora studente, a lavorare all’Istituto Chimico dell’Università di Napoli in qualità di preparatore. Si laureò nel 1895 a 22 anni con una estesa e brillante tesi sugli isomeri geometrici, sotto la guida di Agostino Oglialoro[4], di cui in seguito divenne moglie.

Siamo negli anni in cui la stereochimica, fondata principalmente da Van ‘t Hoff attorno al 1873, era un nuovo, fertile campo di ricerca in chimica e Bakunin apportò un notevole contributo al suo sviluppo con la sua prima pubblicazione riguardante gli stereoisomeri degli acidi fenilnitrocinnamici [4]. Proprio in connessione con gli isomeri geometrici di queste sostanze Bakunin iniziò a condurre indagini di natura fotochimica. E’ interessante sottolineare che anche la fotochimica era all’epoca un settore di ricerca in via di sviluppo specialmente in Italia grazie ai lavori di Giacomo Ciamician e dei suoi collaboratori all’Università di Bologna.

In una nota del 1898 [5], Bakunin riporta che l’esposizione alla luce solare dell’isomero trans dell’acido 2-fenil-p-nitrocinnamico ne provocava la trasformazione nell’isomero cis. La citazione precisa di questa osservazione si trova in una memoria di M. D’Auria [6], dalla quale ho preso la seguente figura:

Fotoisomerizzazione acido 2-fenil-p-nitrocinnamico [6, p. 162]

L’interpretazione elettronica della foto isomerizzazione si trova pure nel lavoro di D’Auria alle pp. 162-163.

Successivamente la reazione venne ottenuta anche utilizzando una lampada ultravioletta ma risultava molto più lenta [7]. In questo lavoro Bakunin osservò che l’acido fenilcinnamico rimaneva inalterato come pure l’acido 2-fenil-o-nitrocinnamico.

Il problema della sicura assegnazione di una struttura trans oppure cis agli isomeri geometrici degli acidi cinnamici sostituiti poteva trovare una soluzione verificando la loro capacità a dare indoni per ciclizzazione (disidratazione). Bakunin elaborò un metodo che, utilizzando l’anidride fosforica dispersa in un solvente inerte, realizzava la ciclizzazione senza che essa fosse accompagnata dalla trasformazione di uno stereoisomero nell’altro. Contemporaneamente riuscì anche a chiarire il meccanismo della ciclizzazione degli acidi cinnamici sostituiti, dimostrando che essa decorre attraverso la formazione di anidridi che furono anche isolate [1]. Durante questi studi, Bakunin notò che il 2-fenil-4-nitroindone (ottenuto per ciclizzazione dell’acido 2-fenil-o-nitrocinnamico) si trasformava alla luce in un prodotto diverso che poteva essere correlato a quello che si otteneva durante la disidratazione come sottoprodotto dopo evaporazione del solvente [8]. L’esposizione al sole del composto puro, non in soluzione, dava luogo alla formazione di un prodotto unico alto fondente [9]. Questo tema venne ulteriormente sviluppato in tre successivi lavori dal 1911 al 1914 con la conclusione che si trattava della dimerizzazione di derivati dell’acido cinnamico. Ma all’epoca non esistevano i mezzi per stabilire di quali e quanti dimeri si trattasse. M. D’Auria [6, p. 168], ci dice che la reazione del 2-fenil-4-indone non è mai stata ripetuta e si meraviglia del fatto che il contributo di Maria Bakunin alla fotochimica sia stato pressoché ignorato. La sua esauriente memoria [6] colma questo “buco”.

L’uso dell’anidride fosforica in solventi inerti sostituì presto la precedente tecnica di condensazione che implicava la fusione dei reagenti e spesso portava alla loro decomposizione. L’anidride fosforica in soluzione permetteva un approccio meno drastico con controllo della temperatura di reazione. La stessa Bakunin la utilizzò per sintetizzare diverse classi di composti, esteri, anidridi, eteri [10]. Questo metodo venne poi applicato in Inghilterra per la produzione industriale dell’aspirina [1].

I lavori di Bakunin attrassero l’attenzione di Stanislao Cannizzaro[5], fra i due nacque un rapporto di amicizia oltre che di reciproca stima, come dimostra una selezione della loro corrispondenza citata da Mongillo [2]. Nel 1896 Maria Bakunin partecipò alle celebrazioni per il 70° compleanno di Cannizzaro, sola donna fra i numerosi chimici che vi presero parte. Nella ormai famosa foto di gruppo:

I chimici italiani ai festeggiamenti per il 70° compleanno di Cannizzaro (1986)

Cannizzaro è al centro della seconda fila, Bakunin è a destra in terza fila.

La foto è emblematica della società dell’epoca dove una donna scienziato era un “fenomeno” più unico che raro[6]. Ma Bakunin appare molto sicura di sé, non a caso i suoi biografi affermano che rivelò un carattere indipendente e generoso sin da ragazza.

Si interessò anche agli eterociclici indolici, affrontando la sintesi del nucleo indolico, che ottenne mediante riscaldamento con idrossido di bario degli o-nitrofenilderivati degli acidi della serie etilenica. Studiò anche le melanine, che ancora oggi costituiscono una classe di pigmenti naturali di grande interesse sia per la loro struttura chimica sia per la loro funzione biologica. Il contributo portato in quell’epoca alla conoscenza dei pigmenti melanici è di rilievo se si considera che Bakunin, utilizzando i soli metodi chimici, riuscì a isolare da un melanoma due diversi pigmenti di diverso aspetto e colore e a prepararne i sali di argento e di ammonio [11].

Fu ammessa come socia dell’Accademia Pontaniana[7] nel 1905, lo stesso anno in cui fu nominata socia della Società Nazionale di Scienze, Lettere e Arti in Napoli.

Dal 1909 al 1912 insegnò chimica applicata come professore incaricato, poi come ordinario Chimica Tecnologica Organica nella Scuola Superiore di Ingegneria dell’università di Napoli.

Stato matricolare di Maria Bakunin, quando era docente alla Scuola di Ingegneria

Pur proseguendo le ricerche di chimica organica, Maria Bakunin si interessò di chimica applicata, studiò in particolare gli scisti bituminosi dell’Italia Meridionale. Si tratta di rocce sedimentarie, ricche di materiale organico derivante da resti fossili di animali, in prevalenza pesci. In questo materiale è contenuto l’ittiolo, un farmaco ancora oggi utilizzato in dermatologia. Negli anni 1911-1913, Bakunin si occupò, tra l’altro, della purificazione chimica dell’ ittiolo estratto dalla miniera di scisto bituminoso sita nel Comune di Giffoni in Valle Piana (provincia di Salerno).

In precedenza aveva assistito insieme a altre personalità, all’eruzione del Vesuvio dell’aprile 1906 a Torre Annunziata, alle Ville Bifulco e De Siena. Analizzò i materiali espulsi e le ceneri. Visitò le sorgenti minerali della Valle di Pompei e le analizzò chimicamente e batteriologicamente evidenziandone peculiarità e qualità [2].

Visitò poi molte aree del territorio italiano dedicandosi alla stesura di una mappa geologica del territorio nazionale commissionata agli scienziati dal Ministero della Pubblica Istruzione qualche anno prima.

Bakunin fu anche un’ottima didatta e educatrice, convinta che proprio l’educazione potesse garantire professionalità tale da assicurare sviluppo tecnico e culturale al Paese.

Per il suo talento e qualità didattiche, nel 1914 Bakunin fu incaricata dal Ministro Nitti,  di studiare i sistemi di insegnamento professionale in Belgio e in Svizzera.

Si recò quindi in questi Paesi che si mostravano professionalmente più evoluti. Nel suo resoconto illustrò le tipologie istituzionali di formazione professionale, con particolare attenzione all’insegnamento della chimica. Lo scopo dei suoi studi  era quello di vedere attivati in Italia provvedimenti simili affinché le scuole italiane diventassero “il vero granaio” che avrebbe dato ricchezza al Paese. Nell’apprendimento sottolineava l’importanza della pratica affinché l’insegnamento non si riducesse a mera memorizzazione e per ottenere delle risposte concrete chiedeva al Ministero maggiore spazio, mezzi strumentali e una mentalità più aperta dei docenti…

Tornando alla chimica organica, importanti devono essere considerati anche gli studi di Bakunin sulla reazione di Perkin che, come noto, consiste nella reazione fra un’aldeide aromatica e un sale di un acido organico in presenza di un’anidride, con l’ottenimento di acidi α-, β-insaturi.

Non esistendo a quei tempi la tecnica della sostituzione isotopica, si era sviluppata un’intensa polemica scientifica, durata circa cinquanta anni, sulla questione se fosse il sale oppure l’anidride ad iniziare la catena di reazioni con l’aldeide. Attraverso accurate indagini, Bakunin. dimostrò che, nelle condizioni in cui ha luogo la condensazione di Perkin, si stabiliscono delle reazioni di scambio e di equilibrio tra le anidridi e i sali di acidi differenti, di modo che tutta la questione controversa venne ricondotta a una semplice questione di reattività di due diverse anidridi, contemporaneamente presenti, verso una stessa aldeide. Bakunin riconobbe anche che la reazione è sempre favorita dalla presenza di sali [12,13], in accordo con quanto oggi noto sulla capacità di questi a promuovere la ionizzazione delle anidridi [1].

Maria Bakunin si occupò anche di argomenti diversi oltre quelli ricordati, come lo studio chimico e biologico della picrotossina, della morfina e della stricnina, sostanze le cui strutture chimiche vennero caratterizzate solo con l’impiego dei moderni metodi fisici di indagine.

Come ricordato, la scienziata Maria Bakunin fu anche una fine intellettuale, una donna appassionata e mossa da un grande senso di giustizia, descritta da molti con un carattere forte e assertivo capace di farsi valere ai limiti della prepotenza. Estremamente esigente e anche discretamente originale era soprannominata “La Signora” nell’Istituto Chimico dove insegnava e faceva ricerca. A questo forte carattere si univa però una notevole umanità e una vasta cultura, per molti anni fu l’animatrice dell’ambiente culturale napoletano e il suo salotto, sempre aperto a esponenti del mondo intellettuale, perseguitati e rifugiati, divenne una istituzione.

Nel 1936 passò alla Cattedra di Chimica Industriale e nel 1940 fu chiamata per trasferimento alla Cattedra di Chimica Organica della Facoltà di Scienze, che ricoprì oltre i limiti di età, fino al suo collocamento a riposo, il 5 novembre 1948.

Maria Bakunin fu anche audace e coraggiosa, nel 1938 salvò dal carcere con uno stratagemma suo nipote, il matematico Renato Caccioppoli[8], reo di aver fatto suonare “La Marsigliese” in un bar in presenza di un gruppo di gerarchi fascisti[9]. Durante la seconda guerra mondiale protesse i libri dalle fiamme del rogo appiccato dalle truppe di occupazione tedesche all’Università di Napoli il 12 settembre 1943. Benedetto Croce anche per questo gesto la nominò presidente dell’Accademia Pontaniana nel 1944, carica che ricoprì fino al 1947. In quell’anno fu ammessa come socio corrispondente dell’Accademia dei Lincei.

Il 19 febbraio 1949, su proposta del Consiglio di Facoltà del 20 ottobre 1948, insieme ai più vivi ringraziamenti per l’opera prestata a vantaggio della Scuola e delle Scienze, il Ministero della Pubblica Istruzione della Repubblica Italiana, le conferì il titolo di professore emerito.

In questa veste “La Signora” continuò a frequentare assiduamente l’Istituto di Chimica fino quasi alla sua morte, avvenuta il 17 aprile 1960.

Desidero terminare questo post con la seguente citazione, presa da un breve ricordo di Maria Bakunin:

probabilmente proprio in quanto donna il suo valore di scienziata ha avuto bisogno di tempo per essere adeguatamente comunicato e per un lungo periodo non è stata ricordata per l’importanza che ha avuto nel pensiero scientifico e culturale dello scorso secolo.

http://renneritalia.com/maria-bakunin-scienziata/

Bibliografia

[1] a) R.A. Nicolaus,  Ricordo di Maria Bakunin., Atti dell’Accademia Pontaniana, LII, Napoli 2004, pp. 27–32; b) R.A. Nicolaus, Marussia Bakunin, Dizionario Biografico degli Italiani, Istituto dell’Enciclopedie Treccani, vol. XXIV (1988).

http://www.treccani.it/enciclopedia/marussia-bakunin_%28Dizionario-Biografico%29/

[2] P.Mongillo,  Marussia Bakunin, una donna nella storia della chimica, Rubbettino 2008, ampi stralci in: http://www.mariabakunin.com/cat/maria-bakunin/

[3] M. Ciardi, M. Focaccia, Maria Bakunin (1873-1960), in: J. Apotheker, L.S. Sarkadi (Eds.), European Women in Chemistry, Wiley-WCH, 2011, pp. 51-54

[4] M. Bakunin, Sugli acidi fenilnitrocinnamici e sui loro isomeri stereometrici, Gazzetta chimica italiana, 1895, XXV, pp. 137-189.

[5] M. Bakunin, 1898. Stereoisomeri degli acidi fenilnitrocinnamici., Gazzetta Chimica Italiana, 1898, XXVII, 34-48.

[6] M. Dall’Auria, Maria Bakunin e i primi studi in fotochimica in Italia., Atti del XIII Convegno di Storia e Fondamenti della Chimica, Roma, 23-26/9/2009, 161-169.

http://media.accademiaxl.it/memorie/S5-VXXXIII-P2-2009/DAuria161-169.pdf

[7]M. Bakunin, Sull’azione dei raggi ultravioletti sugli stereoisomeri della serie cinnamica.,

Rend. Acc. Sci. Fis. Mat. Napoli, 1911, 17, 372-375. Citato in [6]

[8]M. Bakunin, Sulla sintesi degli acidi non saturi e sui loro prodotti di disidratazione.,

Atti Acc. Sci. Fis. Mat. Napoli, 1902, 11, 2-9. Citato in [6]

[9]M. Bakunin, Gl’indoni ed i loro prodotti di trasformazione al sole. Loro comportamento con l’ozono., Rend. Acc. Sci. Fis. Mat. Napoli, 1911, 17, 379-386. Citato in [6]

[10]M. Bakunin, Sulla eterificazione di acidi con fenoli., Gazzetta chimica italiana., 1902, XXXII, 178-185).

[11]M. Bakunin, G. Dragotti, Contributo alla conoscenza dei pigmenti melanici., Rend.  AccSci. Fis. Mat. Napoli, 1904, X s.3, 222-240.

[12]M. Bakunin, Meccanismo della reazione del Perkin., Gazzetta chimica italiana, 1916, XLVI, 77-103,

[13]M. Bakunin, G. Fisceman,Sul meccanismo della sintesi di Perkin-Oglialoro., Rend.  AccSci. Fis. Mat. Napoli, 1932, II s.4, 20-22.

[1] Michail Aleksandrovic Bakunin (1814-1876) filosofo libertario russo è considerato il fondatore del movimento anarchico moderno insieme al francese Pierre-Joseph Proudhon e agli italiani Carlo Cafiero e Errico Malatesta. Scrittore molto prolifico, viaggiatore indefesso spesso ricercato da varie polizie politiche, a Napoli fondò il giornale Libertà e Giustizia e l’associazione Fratellanza internazionale.

[2] Rodolfo Alessandro Nicolaus (1920-2008) fu allievo di Maria Bakunin, chimico dai vasti interessi è stato professore di Chimica organica nelle università di Napoli, Roma e Basilea. Ha compiuto ricerche sulla chimica delle sostanze naturali, con particolare attenzione ai pigmenti. Membro di numerose società scientifiche e culturali, ha lasciato numerose pubblicazioni riguardanti la vita e l’opera di Maria Bakunin.

[3] Pasqualina Mongillo, dottore in Filosofia, scrive e lavora nel Dipartimento di Sociologia e Scienza della Politica, Università di Salerno. Oltre al libro citato in [1] è autrice di altri scritti su Maria Bakunin e di un ampio ricordo di Rodolfo Nicolaus.

[4] Agostino Oglialoro-Todaro (1847-1923) chimico organico allievo di Cannizzaro e Paternò, fu nominato professore ordinario di chimica organica nel 1879, è stato Direttore dell’Istituto Chimico dell’Università di Napoli. A lui si devono sintesi di importanti composti. Mentore di Maria Bakunin, si sposarono nel 1896 e restarono sempre uniti.

[5] Qui ricordo ancora una volta che fino al primo Congresso internazionale dei chimici tenutosi a Karlsruhe nel 1860 dominava grande incertezza nella definizione dei concetti fondamentali della scienza chimica. Questa fu l’occasione per Cannizzaro di esporre le sue idee sul concetto di peso atomico, messo in corretta relazione con quello di peso molecolare e nell’aver quindi posto su salde basi tutta la teoria atomico-molecolare, che aveva precedentemente pubblicato nel famoso Sunto del 1858. Il noto chimico tedesco Julius Lothar Meyer, di ritorno dal Congresso disse in proposito: “Sentii come se mi fossero cadute le bende dagli occhi, i dubbi svaniti e la tranquillità più sicura prese il loro posto”. A mio parere Stanislao Cannizzaro è stato il chimico più importante del XIX secolo.

[6] Tant’è che per molto tempo Maria Bakunin venne ricordata solo per questa fotografia…

[7] L’Accademia Pontaniana, fondata a Napoli nel 1458 come libera iniziativa di uomini di cultura è una delle primissime accademie fondate in Europa e la prima del Regno di Napoli. Riconosciuta con R:D: nel 1925, si propone di coltivare le scienze, le lettere e le arti.

[8] Renato Caccioppoli (1904-1959) matematico, figlio di Giuseppe Caccioppoli e Sofia Bakunin, sorella di Maria, esercitò “un’influenza decisiva sullo sviluppo dell’analisi matematica in Italia in un periodo in cui l’Italia si era isolata culturalmente dal resto del mondo”. Su di lui è stato fatto il film “Morte di un matematico napoletano” di Mario Martone, 1992.

[9] Chissà se gli sceneggiatori del famoso film Casablanca (1942) si siano ispirati a questo fatto per la scena in cui Rick (Humphrey Bogart) e Victor Laszlo (Paul Henreid) fanno suonare “la marsigliese” nel Rick’s bar pieno di ufficiali tedeschi…Chi fosse interessato a vedere o rivedere questa scena può utilizzare il link:

https://youtu.be/kOO9GsiMb1g

La prima donna docente e ricercatore alla UC di Berkeley: Agnes Fay Morgan (1884-1968)

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Rinaldo Cervellati

Navigando nel sito dell’University of California a Berkeley ci si accorge che Judith Pollock Klinman (di cui abbiamo parlato nel precedente post) è stata la prima donna all’University College of Chemistry a Berkeley, ma non è stata in assoluto la prima donna docente e ricercatore chimico alla Università della California a Berkeley. Il “primato” spetta a Agnes Fay Morgan, Ph.D., che è stata fra i fondatori della Chimica della Nutrizione nel Dipartimento di Economia a Berkeley dove ha lavorato e insegnato per più di 30 anni, fino al suo ritiro e anche oltre.

Agnes Fay Morgan

Ha ricoperto per lungo tempo la cattedra di economia domestica, il suo programma aveva profonde radici scientifiche, e gli studenti dovevano avere un livello di conoscenze scientifiche che non erano tipiche dei programmi di economia domestica dell’epoca. Ma andiamo con ordine.

Agnes Fay nasce il 4 maggio 1884 a Peoria (Illinois), terza di quattro figli di Mary Dooley e Patrick Fay, una coppia di immigrati irlandesi. Intelligente e portata per gli studi frequentò la Peoria High School ottenendo il diploma liceale. Ottenuta una borsa di studio da un benefattore locale, dopo un breve periodo al Vassar College (New York), si trasferì all’Università di Chicago dove conseguì il B.Sc. nel 1905 e il master in chimica nel 1907.

Come sappiamo a quei tempi era molto difficile per una donna intraprendere la carriera di ricercatore, sicchè Fay insegnò chimica all’Hardin-Simmons College (Texas) nel 1905-1906, all’Università del Montana nel 1907-1908 e all’Università di Washington nel 1910-1912. L’annuario 1905 dell’ Hardin-Simmons College del 1905 si riferisce a lei come “selvaggiamente anticonformista”. Ancor più anticonvenzionale fu considerato il suo matrimonio con Arthur I. Morgan, veterano della guerra ispano-Usa del 1898 e noto giocatore di football, suo studente all’Università del Montana[1].

Nel 1912 Fay-Morgan ritornò all’Università di Chicago dove ottenne il Ph.D. in soli due anni (1914) sotto la guida del prof. Julius Stieglitz[2]. Parte della dissertazione di dottorato di Agnes Fay Morgan fu pubblicata nel J. Am. Chem. Soc. [1].

Agnes Fay Morgan in laboratorio

Probabilmente è stata l’unica donna sposata a ottenere un dottorato in USA nelle prime due decadi del secolo scorso. Nonostante il fatto che le donne sposate non fossero generalmente accettate nelle università, Stieglitz scrisse una lettera presentando Morgan per un posto all’Università dell’Illinois. Non è noto se l’Università diede seguito a questa lettera [2], tuttavia Morgan aveva accettato un posto di assistant professor al Dipartimento di Economia Domestica (Home Economics) del College of Letters and Arts all’University of California a Berkeley[3]. Quando nel 1915 Morgan arrivò a Berkeley, scoprì che avrebbe dovuto insegnare nutrizione e dietetica. Per alcuni anni i rapporti fra Morgan e gli amministratori dell’università saranno contradditori e conflittuali, in gran parte dovuti alla convinzione di Morgan che la funzione di un dipartimento universitario di economia domestica doveva essere di scoprire e insegnare i “perché” delle cose, piuttosto che limitarsi a stabilire regole e ricette alimentari per “vivere bene”. Racconterà Morgan:

Così… nel gennaio del 1915, ho iniziato a tenere corsi di dietetica e nutrizione, argomenti di cui non sapevo nulla e a quel tempo forse nessun altro ne sapeva molto. Ho dovuto studiare l’argomento per lo più al di fuori di riviste mediche in tedesco o in inglese . . . non avevo nulla a che fare con la cucina vecchio stile combinata con l’aritmetica delle ricette che era considerata parte della dietetica. In primo luogo, non ero affatto un’ottima cuoca e non mi interessava cucinare. Ero stata chiamata qui per fare qualcosa di pratico per la preparazione dei dietologi, ma non ero in grado di suggerire nulla di pratico.[2]

Aggiungendo:

Quello che volevo fare era stabilire una base scientifica per le varie pratiche che venivano insegnate in quel momento come alimentazione. Volevo impegnarmi a costruire un approccio estremamente rigoroso, un curriculum scientifico in economia domestica e nutrizione.

La maggior parte dei dipartimenti di economia domestica non richiede molto in termini di basi scientifiche. Qui invece chimica generale, chimica organica, biochimica, fisiologia, batteriologia, analisi quantitativa e, ovviamente, statistica, sono le conoscenze richieste nel curriculum da me proposto.

Ma l’amministrazione dell’Università della California a Berkeley ha criticato il dipartimento per questi requisiti giudicandoli eccessivamente rigorosi [2].

Il Dipartimento di Economia Domestica aveva poi croniche difficoltà nel reperire fondi per la ricerca anche in periodi di disponibilità di risorse federali e statali. Per raccogliere fondi, Morgan si offrì di svolgere corsi professionali di alimentazione a insegnanti di scuola, infermieri e altre possibili figure interessate. Ma anche questa iniziativa irritò gli amministratori che considerarono questi corsi al di sotto degli standard dell’università, indebolendo così la reputazione del dipartimento. Sicchè Morgan veniva criticata da un lato per il suo insegnamento troppo rigoroso, dall’altro per l’organizzazione di corsi a carattere professionale…

Resta il fatto che a causa di tutto ciò, a Morgan fu proibito di accettare finanziamenti industriali per la ricerca e le venne fornito poco spazio per condurre il suo lavoro di ricerca.

A questo va aggiunto che inizialmente il Dipartimento era diviso in due sezioni, la divisione di scienze alimentari (con Morgan come capo) e la divisione di lavori e arti domestiche (con Mary Patterson come capo). A Morgan non piaceva condividere il dipartimento con Patterson, che aveva un background in arti decorative e nessuna inclinazione verso la scienza. Nel 1920, il Rettore di Berkeley, David Prescott Barrows, acconsentì alla richiesta di Morgan di separare le due divisioni in dipartimenti distinti poiché avevano curricula e filosofie diverse, così Morgan divenne l’unico direttore del Dipartimento di Scienze Domestiche. Le fu però negato un programma per l’istituzione del dottorato di ricerca in alimentazione e dietologia.

Morgan tuttavia non perse mai coraggio e, consapevole che per fare carriera in una prestigiosa università come Berkeley occorreva fare una buona e documentata ricerca iniziò le sue ricerche nel laboratorio didattico dei suoi studenti. Tenne sempre la sua vita privata ben separata da quella professionale, rimase incinta nel 1923, anno in cui fu promossa full professor, ma il suo staff lo venne a sapere solo in prossimità del parto. I suoi collaboratori dissero che non notarono il suo stato di gravidanza perché Morgan indossava camici molto ampi.

Prof. Agnes F. Morgan

I suoi primi lavori si indirizzarono alle richieste nutrizionali umane e alla produzione e conservazione dei cibi.

È stata la prima a dimostrare che un comune conservante alimentare usato, l’anidride solforosa, ha un effetto protettivo sulla vitamina C ma un effetto dannoso sulla tiamina. Ha studiato il contenuto vitaminico di molte importanti coltivazioni californiane, come grano, mandorle e noci e gli effetti

della loro trasformazione in cibo. Si interessò alle possibili cause di basso peso nei bambini, dimostrando che una dieta ricca di frutta, latte e germi di grano favoriva la crescita dei bambini in età scolare. Usando modelli animali analizzò le relazioni tra vitamine e ormoni.

Studiando le quantità di calcio dietetico, fosforo, vitamina D e ormone paratiroideo ha dimostrato che un sovradosaggio di vitamina D è causa di fragilità delle ossa e calcificazione dei tessuti molli.

Ha anche studiato le interazioni tra vitamina A, carotene e secrezioni tiroidee e tra riboflavina, acido pantotenico e secrezioni di ghiandole surrenali.

La sua ricerca sull’acido pantotenico e sulla funzione della ghiandola surrenale è stata probabilmente il suo maggior successo. Nel 1939 ha mostrato che l’acido pantotenico è essenziale per la normale pigmentazione di capelli e pelle [3].

Una dieta carente di vitamine del gruppo B veniva sistematicamente integrata con tiamina, riboflavina, un preparato di germe di grano, estratti di lievito e di corteccia surrenale per mostrare che la depigmentazione dei peli degli animali erano dovuti all’insufficienza surrenale causata da una mancanza di acido pantotenico (vitamina B5). Per giungere a questo risultato è rimasto famoso uno degli esperimenti, quello delle volpi: Morgan convinse un allevatore di volpi a utilizzare due gruppi di animali, un gruppo trattamento e uno controllo per studiare gli effetti di diete contenenti rispettivamente quantità basse e normali di vitamine del gruppo B. Il gruppo trattamento (le volpi alimentate a ridotto contenuto di vitamine) sviluppò un rado mantello grigio opaco, nel gruppo di controllo invece tutte le volpi presentavano una pelliccia nera lucente. Dopo gli esperimenti, fu confezionata una stola di pelliccia con entrambi i gruppi di peli. Morgan indossò questa stola in almeno due importanti occasioni: la presentazione dei dati dello studio al convegno annuale dell’American Society for Experimental Biology nel 1939 e la cerimonia di premiazione della Garvan Medal conferitale dieci anni dopo dall’American Chemical Society.

Nel 1938, il Dipartimento fu trasferito al College of Agriculture, e tutti i suoi docenti e ricercatori fecero riferimento alla California Agricultural Experiment Station. Il Dipartimento fu coinvolto in una ricerca della Stazione finalizzata a valutare lo stato nutrizionale delle persone anziane abitanti nella contea di San Mateo. La ricerca, condotta su circa 600 volonari di entranbi i sessi, includeva esami fisici completi con raggi X delle ossa, analisi del sangue e delle urine oltre a un sondaggio sull’alimentazione dei singoli individui. Dai risultati di questa lunga ricerca Morgan potè dimostrare per la prima volta che la densità ossea delle donne diminuisce tra 50 e 65 anni di età, e che il colesterolo nel siero è correlato all’assunzione di grassi (HDL e LDL) nella dieta [4].

Prima del suo pensionamento, avvenuto nel 1954, ha pubblicato circa 200 articoli scientifici, un libro di testo (Experimental Food Study, insieme a I. Sanborn Hall, Farrar & Rinehart Inc., NY, 1938) e 77 reviews. Dopo il suo ritiro ha pubblicato circa altri 40 lavori scientifici.

Morgan è stata a volte chiamata come consulente su problemi pubblici per conto di governi statali o del governo federale. In questa veste ha esaminato la qualità del cibo nella prigione di San Quintino nel 1939 e negli anni ’40 è stata fondatrice e presidente del California Nutrition War Committee e prestò servizio nell’ufficio di ricerca scientifica e sviluppo. Nel 1960, Morgan ha fatto parte della Commissione che ha esaminato la tossicità dei pesticidi usati in agricoltura.

Nonostante l’importanza della ricerca di Morgan, molti dei suoi sforzi rimasero non riconosciuti fin verso la fine della sua carriera. Nel 1949 fu insignita della prestigiosa medaglia Garvan dall’American Chemical Society per la sua ricerca pionieristica in campo nutrizionale. Nel 1950 divenne la prima donna a ricevere lo status di docente di ricerca presso l’Università della California. Altri riconoscimenti conferiti a Morgan includono il Borden Award del 1954 dell’American Institute of Nutrition e la Heare Gold Medal di Phoebe Apperson, che la riconobbe come una delle dieci donne eccezionali a San Francisco nel 1963.

Finalmente, nel 1961 l’edificio che ospitava il Dipartimento di Economia Domestica fu rinominato Dipartimento di Scienze Nutrizionali e dal 1963 si chiama Agnes Fay Morgan Hall.

Come appare evidente dal numero di pubblicazioni dianzi riportate Agnes Fay Morgan ha continuato a lavorare nel Dipartimento nella sua qualità di professore emerito fino a che fu colpita da un infarto due settimane prima della morte, il 20 luglio 1968.

Bibliografia

[1] a) Ph. D. Dissertation of Agnes Fay Morgan. I. The Molecular Rearrangements of Some Triarylmethylchloroamines. II. The Viscosities of Various Methyl- and Ethylimido-benzoate Salts and of Para- and Meta-nitrobcnzoylchloramides in moderately concentrated Aqueous Solutions.

(Typewritten.) Abstract in Univ. Chicago Science Series, I, 213-17 (1922-23);

  1. b) Agnes Fay Morgan, The Molecular Rearrangements of Some Triarylmethylchloroamines., Am. Chem. Soc., 1916, 38, 2095–2101.

[2] M. Nerad, The Academic Kitchen., State University of New York Press, Albany, 1999, Cit. in: J.C. King, Contributions of Women to Human Nutrition., J. Nutr., 2003, 133, 3693-3697.

[3] A.F. Morgan, H.D. Simms, Greying of fur and other disturbances in several species due to vitamin deficiency., J. Nutr., 1940, 18, 233-250.

[4] H.L. Gillum, A.F. Morgan et al., The nutritional status of the aging. A summary of the biochemical findings in a study of 577 supposedly healthy men and women over 50 years of age., J. Nutr., 1955, 55(2-4), 1-685.

[1] Come riportato in un precedente post, all’epoca in molti stati USA se una insegnante si sposava doveva rinunciare all’insegnamento…

[2] Julius Stieglitz (1867–1937), chimico americano di origini ebraico tedesche. Ha interpretato il comportamento e la struttura dei composti organici in base alla teoria della valenza e ha applicato i metodi fisico-chimici in chimica organica. Notevole docente con ampi interessi in chimica farmaceutica e medicinale.

[3] Quel posto era pagato 1800 $ annui, ma a un maschio con medesimo curriculum ne sarebbero stati corrisposti 2400…

Scienziate che potrebbero vincere il Premio Nobel: Judith Pollock Klinman (1941- )

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Come ricordato nel precedente post, quando Darleane Hoffman si trasferì da Los Alamos all’University College a Berkeley nel 1984, trovò una sola altra donna docente all’UC, Judith Klinman, 15 anni più giovane di lei. Klinman è infatti nata il 7 aprile 1941, quindi ha festeggiato da poco il settantasettesimo compleanno.

Judith Pollock Klinman

Ottenuto il B.A. nel 1962 e poi il Ph.D. in chimica fisica organica nel 1966 all’Università della Pennsylvania, Klinman ha svolto ricerche come post-doc per un anno al Weizman Institute of Science in Israele, poi è stata ricercatore all’Institute of Cancer Research di Filadelfia (Pennsylvania) fino al 1978 quando è entrata a far parte dello staff dell’University College a Berkeley (California)[1].

All’inizio della sua carriera, sviluppò l’uso della sostituzione isotopica negli studi cinetici sulla catalisi enzimatica, mostrando come i composti marcati possano essere utili per verificare ipotesi sui meccanismi di reazione, per determinare ordini e costanti di velocità, nonchè per ottenere costanti di dissociazione del substrato.

Ben presto attorno a Kliman si formò un gruppo di ricerca che continua a dare contributi fondamentali in enzimologia.

Judith Klinman 1990 ca

Nel 1990, Kliman e il suo gruppo scoprì la presenza della neurotossina 6-idrossidopa chinone (TPQ) nel sito attivo di una ammino ossidasi contenente rame nel plasma bovino, superando anni di speculazioni errate riguardo la natura della struttura del sito attivo e aprendo il campo di ricerca sui cofattori derivati da proteine [1].

Il lavoro successivo del gruppo ha dimostrato che la proteina lisilossidasi extracellulare, responsabile del legame incrociato fra collagene ed elastina, contiene una variante reticolata di lisina del TPQ [2]. Dagli anni ’90, gli studi cinetici di Klinman sulle reazioni enzimatiche hanno dimostrato anomalie che implicano il tunnelling quantistico dell’idrogeno nelle reazioni di attivazione dell’idrogeno catalizzate da enzimi [3]. Al momento attuale vi è una scarsità di informazioni riguardanti i profili delle barriere di energia potenziale ai siti attivi degli enzimi, così come il contributo delle dinamiche proteiche ai processi di allentamento del legame. Un approccio estremamente valido per affrontare questi problemi, è appunto il rilevamento e la quantificazione del tunneling dell’idrogeno nelle reazioni enzimatiche. Il gruppo Klinman ha accumulato prove che il tunneling quantomeccanico a temperatura ambiente si verifica in moltissime reazioni enzimatiche.

H tunneling, Me transfer and protein dynamics

Un trattamento quantitativo dei dati fornisce informazioni sul ruolo dei movimenti di proteine ​​/ atomi pesanti nel promuovere l’attivazione del legame C-H attraverso un processo di tunneling [4].

Inoltre, l’uso di mutagenesi sito-specifica e scambio H / D, insieme a proteine ​​omologhe provenienti da nicchie di temperatura, sta rendendo possibile affrontare il modo in cui le interazioni di legame substrato-proteina e le dinamiche proteiche influenzano l’efficienza del processo di tunneling.

Negli ultimi anni è stato sviluppato un set unico di sonde sperimentali per determinare il meccanismo di attivazione dell’ossigeno. Queste sonde stanno iniziando a far luce su come le proteine possono ridurre l’O2 a intermedi radicali liberi, evitando nel contempo il danno ossidativo cellulare.

Schema attivazione ossigeno [5]

Fino a poco tempo fa, si pensava che la maggior parte dei cofattori enzimatici fossero composti a basso peso molecolare che si legavano in modo reversibile alle loro affini proteine . Negli ultimi anni è stata descritta una famiglia di proteine che contengono il loro cofattore all’interno della catena polipeptidica proteica. Una nuova classe di tali proteine è emersa dal laboratorio Klinman, nota come chino-enzimi. Due tipi distinti di cofattori sono stati scoperti negli eucarioti: il 2,4,5-triidrossifenetilammina-chinone (TPQ) derivato da una singola catena laterale di tirosina e osservato nelle ubiquitarie ammineossidasi contenenti rame; e la lisina tirosil chinone (LTQ) derivato dalla reticolazione di lisina e tirosina ossidata all’interno del sito attivo delle lisilossidasi. Nel caso del TPQ è stato stabilito che un singolo ripiegamento proteico catalizza sia la biogenesi del cofattore che il successivo turnover dell’enzima. Queste proteine vengono chiamate proteine a doppia funzione, ponendo il problema di come un singolo ripiegamento proteico possa catalizzare due reazioni apparentemente dissimili. Sono in corso studi approfonditi su questi chino-enzimi, come pure sul cofattore batterico derivato da peptidi, il pirrolo-chinolina chinone. Sono stati anche avviati studi per sondare il ruolo fisiologico di una classe di ossidasi al rame che si trova sulle superfici cellulari, generando perossido di idrogeno, un probabile agente di segnali cellulari.

La vita aerobica pone interrogativi unici. Nello specifico, come le proteine catalizzano l’attivazione dell’ossigeno molecolare evitando di generare intermedi radicalici con sufficiente stabilità per provocare il danno ossidativo cellulare. Il gruppo di Klinman ha proposto un approccio sistematico a questa domanda investigando un’ampia gamma di proteine ​​che funzionano con cofattori organici da soli, con metalli da soli o con una combinazione cofattori organico – centro metallico. La metodologia utilizzata combina mutagenesi sito-specifica, stato stazionario e cinetica rapida, sonde spettroscopiche per intermedi e la misurazione di effetti isotopici O18 [6].

Judith Klinman professore alla Graduate School in Chemistry and Molecular Biology

Judith P. Klinman ha percorso tutte le tappe della carriera accademica a Berkeley fino a professore ordinario nella Graduate School in Chemistry and Molecular and Cell Biology e membro del California Institute for Quantitative Biosciences. E’ stata la prima donna membro della Facoltà di Chimica, di cui è stata anche Preside. Oggi è professore emerito della Facoltà, in questa veste continua a fare ricerca nel gruppo da lei costituito. E’ autrice o co-autrice di più di 400 pubblicazioni scientifiche di cui venti nel quadriennio 2014-2017. Ha ottenuto numerose onoreficienze e premi da importanti istituzioni nazionali e internazionali, fra le quali la National Medal of Science, la più alta onorificenza pubblica che uno scienziato può ricevere negli Stati Uniti e il Premio Willard Gibbs dell’American Chemical Society.

Judith P. Klinman, Medaglia Gibbs dell’ACS

L’American Society for Biochemistry and Molecular Biology, di cui è stata anche Presidente, le ha conferito il Premio Mildred Cohn per la Biochimica.

Fonti consultate:

Bekely College of Chemistry https://chemistry.berkeley.edu/faculty/chem/klinman

The first woman at Cal https://chemistry.berkeley.edu/news/first-women-chemists-cal

http://www.asbmb.org/uploadedfiles/AboutUs/ASBMB_History/Past_Presidents/1990s/1998Klinman.html

Bibliografia

[1] S. M. Janes, D. Mu, D. Wemmer, A. J. Smith, S. Kaur, D. Maltby, A. L. Burlingame, Judith P Klinman, A new redox cofactor in eukaryotic enzymes: 6-hydroxydopa at the active site of bovine serum amine oxidase., Science, 1990, 248, 981-987.

[2] S.X. Wang, N. Nakamura, M. Mure, Judith P. Klinman, J. Sanders-Loehr, Characterization of the native lysine tyrosylquinone cofactor in lysyl oxidase by Raman spectroscopy., J. Biol. Chem. 1997, 272, 28841-28844.

[3] a) Y. Cha, C. J. Murray, Judith P. Klinman, Hydrogen tunneling in enzyme reactions., Science, 1989, 243, 1325-1330; b) A. Kohen, R. Cannio, S. Bartolucci, Judith P. Klinman, Enzyme dynamics and hydrogen tunneling in a thermophilic alcohol deydrogenase., Nature, 1999, 399, 496.

[4] a) M. J. Knapp, K. Rickert, Judith P. Klinman, Temperature-dependent isotope effects in soybean lipoxygenase-1: correlate hydrogen tunneling with protein dynamics., J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 3865-3874; b) Z.D. Nagel, Judith P. Klinman, Tunneling and dynamics in enzymatic hydrogen transfer., Chem. Rev., 2006, 106, 3095-3118.

[5] Judith P. Klinman, How Do Enzymes Activate Oxygen without Inactivating Themselves?, Acc. Chem. Res, 2007, 40, 325-333).

[6] L.M. Mirica, K.P. McCusker, J.W. Munos, H. Liu, Judith P. Klinman, 18O kinetic isotope effects in non-heme iron enzymes: Probing the nature of Fe/O2 intermediates., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 8122-8123.

[1] Prima donna chimico a far parte dello staff all’University of California a Berkeley. Berkeley è stata fondata nel 1868 per cui festeggia quest’anno il 150° anniversario. In uno dei siti consultati si afferma che: “Una delle eredità più importanti del sistema UC è che le donne furono ammesse due anni dopo la fondazione dell’università, nel 1870. I Regents avevano approvato all’unanimità una risoluzione per ammettere le donne che all’epoca costituivano circa il 36% della popolazione dello stato. L’annuncio dell’University Registrar era chiaramente inteso a incoraggiarle a partecipare: “Le Giovani Donne sono ammesse all’Università a parità di condizioni, a tutti gli effetti come i giovani uomini”. Tuttavia fra il dire e il fare…

Un nuovo sistema per l’elettrolisi dell’acqua di mare a energia solare*

In evidenza

Rinaldo Cervellati

La frase del titolo è parte molto accattivante del titolo di una notizia riportata da Mark Peplow il 30 marzo scorso su Chemistry & Engineering newsletter on-line del 4 aprile.

Peplow inizia osservando che la produzione di idrogeno attraverso l’elettrolisi dell’acqua potrebbe portare a una fonte rinnovabile del combustibile, ma per piccole nazioni insulari come ad esempio Singapore, l’acqua dolce è però una risorsa preziosa. Quindi un gruppo di ricercatori della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore, coordinati dai Prof. Bin Liu (Singapore) e S.Z. Quiao (University of Adelaide, Australia), ha rivolto l’attenzione al mare, sviluppando catalizzatori che porterebbero a elettrolizzare l’acqua di mare con efficienza record, generando ossigeno e idrogeno che potrebbero alimentare le celle a combustibile (S-H. Hsu et al., An Earth-Abundant Catalyst-Based Seawater Photoelectrolysis System with 17.9% Solar-to-Hydrogen Efficiency, Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201707261).

  Un sistema di elettrolisi ad energia solare sviluppa idrogeno al catodo (a sinistra) e ossigeno all’anodo (a destra).

Il sistema è alimentato da energia solare, formando idrogeno con un’efficienza complessiva del 17,9%. Per quanto ne sappiamo, questa è la massima efficienza ottenuta con l’acqua di mare, afferma Bin Liu della NTU di Singapore, che fa parte dei coordinatori del gruppo di ricerca.

Prof. Bin Liu

Gli oceani sono un’enorme riserva di atomi di idrogeno, ma ottenere idrogeno molecolare per elettrolisi di acqua marina è una grande sfida. In una cella elettrolitica, la corrente usata per dissociare l’acqua salmastra forma anche altri prodotti, per esempio trasforma gli ioni cloruro in cloro gassoso indesiderato, mentre altri ioni come il calcio e il magnesio formano precipitati insolubili che inibiscono i catalizzatori depositati sugli elettrodi. Le reazioni di elettrolisi possono poi anche causare variazioni di pH con conseguente corrosione degli elettrodi.

Il gruppo di Liu aveva in precedenza sviluppato un catalizzatore al solfuro di molibdeno e nichel che abbassa la differenza di potenziale necessaria per generare idrogeno dall’acqua marina al catodo. (J. Miao et al., Hierarchical Ni-Mo-S nanosheets on carbon fiber cloth: A flexible electrode for efficient hydrogen generation in neutral electrolyte., Sci. Adv. 2015, DOI: 10.1126 / sciadv.1500259).

Il loro nuovo catalizzatore per l’anodo si basa su elementi abbondanti in natura (Fe, Co) per l’ossidazione anodica con sviluppo di ossigeno gas e formazione di ioni idrogeno. I ricercatori hanno coltivato nano cristalli aghiformi di carbonato di cobalto basico su tessuto in fibra di carbonio. Quindi hanno immerso il tessuto in 2-metilimidazolo formando uno strato sottile di struttura organometallica cobalto-imidazolo (MOF, Metal Organic Framework) all’esterno degli aghi. L’aggiunta di ferrocianuro di sodio lo ha trasformato in esacianoferrato di cobalto, che ha mantenuto la nanostruttura porosa del MOF formando gusci catalitici di 20 nm di spessore attorno ai nanoaghi conduttori.

Schema di un elettrolizzatore a energia solare per acqua di mare. Il catalizzatore esacianoferrato di cobalto favorisce lo sviluppo di ossigeno sull’anodo (freccia gialla, a destra). Nel contempo, il catalizzatore di solfuro di molibdeno e nichel sul catodo favorisce lo sviluppo di idrogeno (freccia rossa, a sinistra). Il pannello solare è mostrato a sinistra con il collegamento agli elettrodi.

Con una cella solare a tripla giunzione commerciale per fornire elettricità, il gruppo di ricercatori ha testato il sistema utilizzando acqua di mare locale, aggiungendo solo un tampone fosfato per mantenere neutro il pH. Dopo 100 ore di funzionamento continuo, l’elettrolizzatore aveva prodotto idrogeno e ossigeno, senza cloro. Inoltre, i suoi elettrodi e catalizzatori erano intatti e la produzione diminuita solo del 10%.

Al contrario, un elettrolizzatore che utilizzava catalizzatori convenzionali di platino e ossido di iridio per decomporre l’acqua marina locale ha subito una diminuzione di attività molto più rapida, producendo anche cloro.

Il fatto che sia selettivo per l’evoluzione dell’ossigeno piuttosto che per l’evoluzione del cloro è molto significativo, afferma Michael E. G. Lyons, ricercatore elettrochimico al Trinity College di Dublino, aggiungendo: È un risultato molto difficile da ottenere.

Michael E.G. Lyons

Peter Strasser dell’Università tecnica di Berlino, che ha lavorato all’elettrolisi dell’acqua di mare, sottolinea che il sistema ha una densità di corrente molto bassa. Per produrre utili quantità di idrogeno, il sistema avrebbe bisogno di una densità di corrente molto più elevata, che potrebbe innescare l’evoluzione del cloro o altre reazioni collaterali indesiderate, e aggiunge: I problemi sorgono quando si passa a densità di corrente elevate“.

Peter Strasser

Bin Liu afferma che i test iniziali a densità di corrente più elevate non hanno prodotto alcun cloro. Ma riconosce che le prestazioni del sistema potrebbero essere migliorate. Ad esempio, con l’utilizzo di acqua dolce, gli elettrolizzatori ad energia solare hanno raggiunto efficienze da solare a idrogeno superiori al 30% (J. Jia et al., Solar water splitting by photovoltaic-electrolysis with a solar-to-hydrogen efficiency over 30%., Nat. Commun. 2016, DOI: 10.1038/ncomms13237).

Il gruppo di Liu sta ora lavorando con i ricercatori del Dalian Institute of Chemical Physics (Dalian, Rep. Pop. Cinese), per sviluppare il loro sistema in un prototipo di dispositivo per la produzione pilota di idrogeno dall’acqua di mare.

Dopo i commenti dei due ricercatori Michael Lyons e Peter Strasser, riportiamo quelli di due esperti che fanno parte della redazione del blog.

Vincenzo Balzani dice:

Argomento importantissimo, studiato da molti scienziati. Ai catalizzatori buoni ci si arriva un po’ per caso. Tutto plausibile. Il punto è se è vero che “Dopo 100 ore di funzionamento continuo, l’elettrolizzatore aveva prodotto idrogeno e ossigeno, senza cloro. Inoltre, i suoi elettrodi e catalizzatori erano intatti e la  produzione diminuita solo del 10%.”  e se “ i test iniziali a densità di corrente più elevate non hanno prodotto alcun cloro”. Poi bisognerebbe sapere se è economicamente convenente rispetto ai metodi basati su osmosi inversa (elettrodialisi inversa).

Claudio Della Volpe commenta:

Il cobalto usato come catalizzatore nel processo non è il massimo come materiale; in un solo posto al mondo (miniera di Bou Azzer in Marocco che ha riserve limitate) si estrae cobalto direttamente, altrimenti è una impurezza di altri metalli; in altre tecnologie come le batterie al litio il cobalto ha mostrato problemi proprio nei limiti di produzione come risorsa; se ne producono solo 100.000 ton all’anno e quelle da risorsa primaria sono solo meno di 2mila; in definitiva il cobalto è una risorsa limitata e costosa.

Non mi pronuncio sugli altri aspetti, ma già l’articolo chiarisce che c’è un limite nei dati; gli sperimentatori hanno usato una densità di corrente bassa, ossia non hanno esplorato veramente la sovratensione del sistema e inoltre aumentando la corrente non solo aumenterebbe la sovratensione (che è una sorgente di dissipazione energetica, di inefficienza) ma sorgerebbe anche il problema potenziale di innescare altri processi, un tipico problema elettrochimico. Nel libro di elettrochimica di Bianchi e Mussini (G. Bianchi, T. Mussini, Fondamenti di Elettrochimica. Teoria e Applicazioni, CEA, Milano, 1993) la parte teorica termina proprio con questo tipo di analisi: due reazioni con diverse sovratensioni: quella termodinamicamente favorita potrebbe essere quella più limitata da motivi cinetici (sovratensione).

Infine come giustamente dice Vincenzo non ci sono analisi differenziali del processo contro altri concorrenti agguerriti e attualissimi; diciamo che gli autori fanno pensare di non aver approfondito ancora cose veramente importanti, d’altronde basta aspettare e vedere se il risultato viene confermato.

*Tradotto e ampliato da c&en del 4 aprile 2018.

Dalla terapia fotodinamica alla fotofarmacologia: le applicazioni mediche di una delle prime macchine molecolari

In evidenza


Rinaldo Cervellati

Ne parla diffusamente Katharine Sanderson in un articolo intervista su* Chemistry & Engineering newsletter del 2 aprile scorso, che vale certamente la pena di riportare integralmente.

Nella terapia fotodinamica, le cellule tumorali sono esposte alla luce laser, a volte tramite sonde a fibre ottiche. Un’impostazione simile potrebbe presto essere utilizzata in fotofarmacologia, oppure i medici potrebbero aver bisogno di impiantare LED per illuminare le aree bersaglio del corpo umano.

Terapia fotodinamica: le cellule tumorali sono esposte alla luce laser, a volte tramite sonde a fibre ottiche.

Nella lotta contro il cancro, le nostre opzioni terapeutiche sono migliorate nel corso degli anni. Ma sono ancora lontane dall’essere ottimali. Oggi i medici somministrano farmaci chemioterapici nella speranza di eliminare o ridurre un tumore prima che provochi troppi danni ad altre parti adiacenti del corpo del malato.

Ora i chimici sperano di guadagnare ancor più terreno in questa battaglia, progettando piccole molecole che possono essere attivate dalla luce all’interno dell’organismo dopo aver raggiunto il bersaglio, limitando così drasticamente gli effetti collaterali.

Gli scienziati mirano a utilizzare questi farmaci fotosensibili non solo per combattere il cancro, ma pensano anche che composti con un comportamento simile potrebbero essere utili nel trattamento della cecità e di altre gravi malattie. Antibiotici regolabili con segnali luminosi potrebbero persino aiutare a combattere la farmacoresistenza. Si deve pensare a questi farmaci come a interruttori molecolari, quando colpito dalla luce il farmaco si attiva, quando si spegne la luce il farmaco si disattiva. Mantenendo quindi la luce spenta quando il farmaco non lavora si impedirà ai patogeni di riconoscerlo come pericoloso e quindi di svilupparne resistenza.

Sebbene l’interesse per lo sviluppo di questi interruttori molecolari sia in aumento, la ricerca nel settore presenta ancora importanti problemi da risolvere. Ad esempio, i ricercatori devono assicurarsi che gli interruttori molecolari funzionino a lunghezze d’onda clinicamente inerti, per intenderci quelle che possono passare attraverso i tessuti senza fare danni. Inoltre i ricercatori devono poter lavorare in stretta collaborazione con i clinici per trovare dispositivi adatti a accendersi e spegnersi in prossimità di uno o più bersagli all’interno del corpo del malato.

L’idea di usare la luce per trattare alcune patologie non è completamente nuova. Ad esempio, la terapia fotodinamica (PDT) tratta i tumori e altre malattie della pelle. In questo tipo di terapia ai malati vengono somministrati farmaci colorati sotto forma di pillole, iniezioni sottocutanee o creme applicate sulla cute. La pelle così trattata viene illuminata con luce di opportuna lunghezza d’onda, che attiva le molecole del farmaco le quali convertono l’ossigeno dal suo stato normale di tripletto allo stato eccitato di singoletto, un potente radicale libero che distrugge le cellule malate.

Il fatto però che molti tumori sono ipossici, cioè richiedenti abbondante ossigeno, può ridurre molto l’efficacia di questo tipo di strategia.

Edith C. Glazer e il suo gruppo all’Università del Kentucky ha sviluppato complessi polipiridilici del rutenio (II) che espellono un ligando quando attivati dalla luce.

Effetto della luce su uno dei complessi di Glazer

Il composto residuo si lega poi al DNA delle cellule cancerose provocandone l’apoptosi.

Edith C. Glazer

A differenza delle molecole colorate nella PDT, le terapie fotofarmacologiche “utilizzano l’energia di un fotone per provocare un cambiamento chimico all’interno della struttura del farmaco”, spiega Glazer, “e questa nuova struttura si lega a un particolare bersaglio causando la morte delle cellule cancerose”.

In altre parole l’espulsione irreversibile di un ligando consente ai complessi di reticolare il DNA delle cellule cancerose provocandone danni irreparabili. Glazer può regolare la solubilità dei complessi e le lunghezze d’onda della luce che assorbono scegliendo opportuni ligandi, oppure creare composti a “doppia azione” che espellono i ligandi e sviluppano ossigeno singoletto (S.B. Howerton et al. Strained Ruthenium Complexes are Potent Light-Activated Anticancer Agents., J. Am. Chem. Soc. 2012, DOI: 10.1021/ja3009677).

Queste molecole possono essere davvero potenti, dice Glazer. “Le cellule si sono evolute per opporre resistenza all’ossigeno singoletto, poiché questo si forma naturalmente, ma addotti DNA-metallo non esistono in natura e quindi può essere più difficile per la cellula sviluppare una resistenza”.

Ma molti chimici, come Wiktor Szymanski dell’University Medical Center di Groningen, vogliono fare un ulteriore passo avanti e utilizzare la luce per “accendere” (attivare) e “spegnere” (disattivare) farmaci, facendoli diventare veri e propri interruttori. Recentemente si è concentrato su antibiotici fotocommutabili.

Viktor Szymansky

In questo modo il medico potrebbe decidere non solo quando ma anche dove gli antibiotici dovranno andare ad agire all’interno del corpo del malato. Una volta che un antibiotico attivato dal segnale luminoso ha esercitato il suo effetto, potrebbe essere disattivato con un diverso segnale luminoso.

Struttura di un antibiotico di Szymanski

Per rendere questi antibiotici on-off, Szymanski e collaboratori hanno modificato alcuni noti antibiotici inserendo nella loro molecola un gruppo azobenzenico, un gruppo fotosensibile a isomeria trans-cis. La luce ultravioletta converte l’azobenzene dalla sua forma trans alla forma cis. La luce blu può invertire il processo rapidamente. Altrimenti, l’azobenzene recupererà lentamente nel tempo la sua forma stabile, trans. L’isomerizzazione modifica la dimensione, la forma o la polarità complessiva della molecola, consentendole di colpire il microorganismo bersaglio.

Szymanski afferma che è sorprendente il numero di farmaci a cui basta aggiungere un gruppo fotocommutatore per conferir loro questa proprietà, esiste quindi la potenzialità per migliorarne la capacità di azione.

Glazer dice che un tale approccio è senza dubbio attraente ma osserva che ha alcune limitazioni. Una è la lunghezza d’onda della luce necessaria per eseguire la commutazione. Le migliori lunghezze d’onda per innescare l’isomerizzazione sono nella regione UV. La luce UV non è molto utile dal punto di vista medico, afferma Glazer, “poiché essa non penetra più di qualche millimetro nel tessuto e può inoltre indurre mutazioni del DNA nelle cellule sane”.

La luce rossa e infrarossa, d’altra parte, penetrano nel tessuto in profondità e in sicurezza. Stefan Hecht dell’Università Humboldt di Berlino sottolineava però che la luce rossa e infrarossa ha in genere i propri limiti. “Con la luce UV c’è molta energia che colpisce la molecola, ma se si irradia una molecola con luce rossa o quasi IR, la quantità di energia che scarichi nella molecola è minore piccola, e continuava: “fondamentalmente, quando la luce rossa o IR colpisce un gruppo foto-commutatore, lo fa con meno energia, e quindi l’isomerizzazione può essere meno probabile che con la luce UV. Ciò significa che il farmaco potrebbe essere meno potente. Sarebbe possibile superare alcuni di questi limiti e sintonizzare le molecole su lunghezze d’onda più lunghe concentrandosi sulla progettazione di interruttori migliori”, affermava Hecht.

Stefan Hecht

Alla fine dello scorso anno, Szymanski e collaboratori, fra i quali Ben Feringa[1], hanno fatto un passo avanti con gli antibiotici foto commutabili proprio nella direzione indicata da Hecht (M. Wegener et al. Photocontrol of Antibacterial Activity: Shifting from UV to Red Light Activation., J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b09281).

Essi hanno aggiunto alla molecola dell’antibiotico trimetoprim, azobenzeni in diverse posizioni sull’unità metossifenilica del farmaco per creare una libreria di molecole attivate da UV.

Nello screening su Escherichia coli, hanno trovato che una fra le molecole della libreria, è particolarmente potente quando attivata dalla luce UV. Per spostare la lunghezza d’onda a cui si verifica l’isomerizzazione trans-cis di questa molecola, il gruppo di Szymanski ha sostituito gli atomi sugli azobenzeni con fluoro e cloro. Una versione sostituita da cloro potrebbe essere isomerizzata da luce rossa. Non solo, ma quando questo trimetroprim fotoattivabile è stato attivato con luce rossa, risultò otto volte più potente contro E. coli rispetto a quando si interrompeva la luce. Per spegnere completamente il farmaco, i ricercatori hanno usato luce viola, che ha restituito rapidamente il farmaco alla sua forma originale, trans.

Fare farmaci antitumorali fotocommutabili “on”- “off” richiede un approccio diverso da quello per la progettazione di antimicrobici, afferma Oliver Thorn-Seshold della Ludwig Maximilian University di Monaco.

Oliver Thorn-Seshold

Con farmaci foto commutabili antitumorali selezionabili, i ricercatori devono infatti assicurarsi che i composti si leghino alle proteine bersaglio solo nella loro configurazione “on”. Legarli nella configurazione “off” significherebbe che i farmaci potrebbero danneggiare le cellule sane, anche esse contenenti quella proteina. Gli antibiotici fotocommutabili, d’altra parte, mirano a proteine specifiche dei batteri, non presenti nelle cellule umane sane. Sicchè essi non danneggiano le cellule sane qualsiasi sia la configurazione che assumono.

Thorn-Seshold fa parte del gruppo di ricerca e sviluppo CytoSwitch di Monaco, guidato da Yelena Wainman e sta progettando composti chiamati fotostatine, o PSTs (M. Borowiak et al. Photoswitchable Inhibitors of Microtubule Dynamics. Optically Control Mitosis and Cell Death., Cell, 2015, DOI: 10.1016/j.cell.2015.06.049). Quando attivati ​​dalla luce blu, questi composti, basati sulla struttura del prodotto naturale combretastatina A-4, interferiscono con la replicazione delle cellule tumorali prendendo di mira elementi strutturali chiamati microtubuli.

Antitumorali di Thorn-Seshold e Dirk Trauner: colpiti da luce blu cambiano configurazione da trans a cis, in questa configurazione interferiscono con i microtubuli che regolano la replicazione delle cellule tumorali.

Le fotostatine di CytoSwitch (originariamente sviluppati da Thorn-Seshold e Dirk Trauner, ora alla New York University), sono completamente inattive prima di essere colpite dalla luce, dice Thorn-Seshold. Ciò significa che i medici potrebbero somministrare ai pazienti anche alte dosi di questi farmaci senza preoccuparsi degli effetti collaterali negativi. Alte dosi significano anche che si possono utilizzare lunghezze d’onda a bassa intensità e biocompatibili, perché anche se solo una piccola frazione del farmaco viene attivata, i livelli risultanti di molecole attive saranno sufficienti per il trattamento. Come altre molecole fotosensibili, dopo essere state inizialmente attivate con la luce, le fotostatine tornano alla loro forma originale, inattiva con una tipica emivita di 15 minuti, afferma Wainman.

Nello sviluppo delle fotostatine, Thorn-Seshold si sta imbattendo in un problema pratico estremamente importante per l’applicazione pratica: come fare arrivare la luce nella parte del corpo dove è necessario attivare o disattivare il farmaco. Ritiene che i diodi ad emissione di luce opportunamente impiantati potrebbero essere un’opzione praticabile. E’ infatti una tecnologia esistente, resa popolare da alcuni tatuatori che impiantano i LED sotto la pelle come espressione di una moda originale. I LED sono anche usati in studi di fisiologia optogenetica in modelli animali (topi).

Dirk Trauner

Trauner, uno dei pionieri della fotofarmacologia, non deve preoccuparsi tanto del problema della luce in almeno uno dei progetti cui sta lavorando, ripristinare la vista ai ciechi. Colpire gli occhi di un individuo con luce brillante non richiede alcuna procedura invasiva di impianto LED, sebbene possa essere necessaria una sorta di visiera protettiva.

Fra la miriade di composti fotocommutatori che Trauner sta studiando ve ne è uno che, acceso negli occhi di topi ciechi, sblocca un canale ionico e ripristina la sensibilità alla luce degli animali (A. Polouskina et al., Photochemical Restoration of Visual Responses in Blind Mice., Neuron 2012, 75, 271-282, DOI: 10.1016/j.neuron.2012.05. 022). Questi topi erano ciechi perché le i coni e i bastoncelli nei loro occhi non funzionavano più, il che accade anche nella degenerazione maculare umana.

Trauner è sicuro che questo lavoro di ripristino della visione diventerà clinicamente rilevante presto, o al massimo fra pochi anni. Dice che ora ha circa 120 esempi di molecole fotocommutabili che funzionano in colture cellulari o modelli animali. Alcuni di queste sono quasi allo stadio preclinico o clinico. E prevede che i suoi farmaci per il ripristino della vista saranno i primi farmaci fotofarmacologici approvati clinicamente.

Tuttavia, fare arrivare luce in aree del corpo umano diverse dagli occhi per periodi prolungati, come giorni o settimane nel caso di antibiotici, potrebbe presentare un problema significativo per la fotofarmacologia, afferma il chimico farmaceutico Dennis Liotta della Emory University (Atlanta), editor-in chief della rivista ACS Pharmaceutical Chemistry Letters. “Dal momento che la luce non può facilmente penetrare in profondità nella pelle degli adulti, bisogna superare la barriera tecnica di portare la luce sul luogo di azione”, dice, e prosegue: “Ci sono vari modi per farlo, ma per quanto ne so, tutti implicano l’uso di dispositivi sofisticati, e sono tutti impiegati in ambiente ospedaliero.”

Dennis Liotta

I punti più facili da raggiungere sono la pelle e gli occhi perché si può fare arrivare la luce direttamente su di essi. Per organi più difficili da raggiungere come il tratto gastrointestinale, i polmoni o la vescica, gli endoscopi potrebbero essere gli strumenti idonei. Per aree davvero difficili da raggiungere, tra cui il cervello e il midollo osseo, dovranno essere sviluppate nuove strategie.

Trauner concorda con Thorn-Seshold che a differenza dagli occhi, per molte di queste aree i LED impiantati potrebbero essere in definitiva il modo più utile per fornire luce.

Il settore dovrà affrontare anche possibili ostacoli normativi prima che questi farmaci fotocommutabili possano raggiungere la sperimentazione clinica. Szymanski afferma che ognuno di questi farmaci è in realtà costituito da due molecole – la versione “on” e la versione “off” – che devono essere sviluppate, testate per la sicurezza e la tossicità e sottoposte all’approvazione di un Organismo di Regolamentazione.

Hecht dice che i chimici farmaceutici con cui discute sono spesso scettici su quanto siano commerciabili medicinali foto commutabili. “Produrre una molecola di piccole dimensioni è già così complicato, l’introduzione del gruppo fotosensibile potrebbe aggiungere complicazioni che renderebbero più difficile il processo di approvazione.”

Liotta invece è più ottimista: “L’unico problema che vedo sono i profili tossicologici dei composti attivi e inattivi. Se sono entrambi sicuri, non dovrebbero esserci problemi intrinseci “.

Sia la Food and Drug Administration statunitense che l’Agenzia Europea per i Medicinali (EMA) non hanno ancora parlato di procedure normative per i farmaci fotocommutabili perché il settore è ancora agli inizi.

A causa di questo per ora vuoto normativo, Glazer sostiene che è importante concentrarsi sulla sperimentazione pre-clinica e clinica e assicurarsi che le molecole che i chimici stanno sviluppando possano condurre a trattamenti fattibili. Ciò è importante al fine che tempo e risorse non vengano spesi perseguendo idee anche teoricamente possibili, ma che in pratica sarebbe troppo macchinoso mettere in atto.

Abbiamo chiesto il parere di Vincenzo Balzani che volentieri di seguito riportiamo.

Si tratta di problemi noti; in linea di principio molto utili, ma, come al solito, bisogna vedere che risultati si ottengono. In questo campo la difficoltà maggiore, come qua e là accennato nel testo, è che i tessuti umani non sono trasparenti a luce visibile-UV, cioè di alta energia, che in genere è necessaria sia per fotosensibilizzare la formazione di ossigeno singoletto, sia per provocare reazioni di dissociazione di leganti o di fotoisomerizzazione. Altro problema è che la forma al buio e gli eventuali prodotti secondari della fotoreazione (qualcosa c’é sempre) non siano dannosi.

C’é molto da fare per cercare composti che siano attivabili  con infrarosso. Altrimenti si può usare eccitazione a due fotoni infrarossi, per avere l’energia necessaria a provocare  la fotoreazione. Si possono anche usare luce UV visibile  con guide ottiche se il tumore da distruggere è in una cavità del corpo (es. esofago). Alcune di queste cose sono descritte succintamente nel libro: V. Balzani, P. Ceroni, A. Juris, Photochemistry and Photophysics. Concepts, Research, Applications. Wiley, 2014, p. 370.

In conclusione, l’articolo è interessante, come una piccola review, anche se poco approfondito.

[1] Bernard Feringa, insieme a Jeanne-Pierre Sauvage e Fraser J. Stoddard, vincitori del Premio Nobel per la Chimica 2016 per la progettazione e la sintesi di macchine molecolari. Il comitato Nobel chimica si è però dimenticato che Vincenzo Balzani ha contribuito in modo fondamentale non solo alla realizzazione dei primi prototipi di macchine molecolari, in collaborazione con Fraser Stoddart e Jean-Pierre Sauvage, ma anche allo sviluppo e al consolidamento dei concetti alla base di questo campo di ricerca, divenuto negli anni uno dei settori più attivi e stimolanti della chimica moderna. Balzani e il suo gruppo posero le basi progettuali per la costruzione di macchine molecolari in un articolo del 1987. Anche il termine “molecular machine” venne pienamente discusso per la prima volta in un articolo firmato da Balzani, Stoddart e collaboratori nel 1993.

http://bologna.repubblica.it/cronaca/2016/10/12/news/chimica_il_nobel_mancato_l_appello_degli_scienziati-149629201/

*Katharine Sanderson- Photoswitchable drugs could light the way to more targeted treatments​

Scienziate che avrebbero potuto vincere il Premio Nobel: Darleane C. Hoffman (1926- )

In evidenza

Rinaldo Cervellati

Al momento in cui scrivo questo post Darleane Christian Hoffmann si avvia a compiere 92 anni, nella sua lunga vita professionale ha dato fondamentali contributi in chimica nucleare e delle radiazioni per i quali avrebbe meritato il Premio Nobel per la Chimica.

Darleane Christian nasce l’8 novembre 1926 a Terril, una piccola città della Contea di Dickinson nel nord-ovest dell’Iowa[1]. I suoi genitori si erano trasferiti in quella cittadina un anno prima, quando il padre Carl B. Christian, insegnante di matematica, aveva ottenuto il posto di sovrintendente della locale scuola. La madre, casalinga, organizzava eventi e feste scolastiche inoltre scriveva articoli per il giornale cittadino. Scriveva sotto pseudonimo perché questa attività non era considerata conveniente per la moglie del sovrintendente scolastico. Darleane frequentò la locale scuola, a quei tempi dominio quasi assoluto di donne non sposate, un mondo monotono e ristretto di vedove e zitelle. Racconterà la stessa Darleane:

Se una giovane insegnante si sposava era obbligatorio per lei dare le dimissioni… giurai a me stessa di non diventare mai un’insegnante [1].

Nel 1944 Darleane Christian si iscrisse allo Iowa State College[2] frequentando il corso di chimica tenuto da Nellie Naylor, il cui insegnamento la affascinò. Dirà infatti:

Darleane Christian nel 1944

Il suo insegnamento mi ha convinto che la chimica era la scienza più logica, interessante e pratica nel mondo [1].

Dopo essersi diplomata nel 1948 con un B.Sc. in chimica e matematica, Hoffman decise di rimanere allo Iowa State College per proseguire gli studi di dottorato, per il quale ha continuato il lavoro di ricerca con il chimico nucleare Donald S. Martin.

Insieme hanno scoperto diversi nuovi isotopi usando il sincrotrone, uno strumento allora innovativo che utilizza elettroni accelerati per generare raggi X ad alta energia.

Darleane allo Iowa State College per il dottorato, 1950

Nel suo primo semestre di scuola di specializzazione, Darleane incontrò Marvin Hoffman, uno studente di fisica che aveva contribuito a costruire il sincrotrone e pertanto aveva il permesso di utilizzarlo anche di notte. Darleane e Marvin spesso continuavano gli esperimenti fino a tarda sera. Darleane completò la sua tesi di ricerca in tre anni, conseguendo il dottorato nel dicembre 1951. Si sposò con Marvin Hoffman il giorno dopo Natale 1951.

All’inizio del 1952 Dearlane Hoffman iniziò a lavorare all’Oak Ridge National Laboratory, in Tennessee, dove Marvin la raggiunse alcuni mesi dopo aver completato la sua dissertazione di tesi.

Tuttavia fu Marvin a suggerire di spostarsi al Los Alamos National Laboratory, dove egli aveva fatto uno stage di ricerca quando era studente.

Come noto Los Alamos è stata la sede del Progetto Manhattan che ha realizzato le bombe atomiche che hanno azzerato la popolazione civile di Hiroshima e Nagasaki. Negli anni ’50 in piena guerra fredda gli esperimenti nucleari proseguivano nel Nevada Test Site, un desolato tratto di 1.360 miglia quadrate di deserto a nord di Las Vegas. Si calcola che in quel periodo vi furono più di 1000 esplosioni nucleari, per più del 90% sotterranee.

Il lavoro che interessava Darleane Hoffman era comunque l’analisi dei prodotti della fissione. Molti campioni, altamente radioattivi, venivano prelevati dai crateri con opportune precauzioni e inviati ai laboratori di Los Alamos per dettagliate analisi radiochimiche, che a volte rivelavano la presenza di nuovi isotopi. Proprio dai residui di una di queste esplosioni fu fatta una scoperta inaspettata: un nuovo isotopo del plutonio, il plutonio 244 (Pu 244). Misure successive dimostrarono che il Pu 244 aveva un’emivita di oltre 80 milioni di anni.

Racconta Hoffman [1]: Per anni si è supposto che l’uranio 238, che ha un’emivita di 4,5 miliardi di anni, fosse l’isotopo radioattivo più pesante in natura. Con la scoperta del plutonio 244, abbiamo iniziato a ipotizzare che potrebbe essersi formato durante l’ultima nucleosintesi nel nostro sistema solare da 4,5 a 5 miliardi anni fa. Se quell’evento ha prodotto uranio 238 potrebbe anche aver prodotto il plutonio 244, e parte di esso avrebbe potuto essere ancora presente sul nostro pianeta. La caccia al Pu 244 sulla Terra si era aperta.

Darleane Hoffman, da ottimo chimico sapeva bene che le proprietà redox del plutonio erano simili a quelle del cerio, un elemento dei lantanidi (terre rare) situati appena sopra agli attinidi (cui appartiene il plutonio) nella tavola periodica degli elementi. Questo la portò a cercare un luogo ricco di minerali contenenti cerio. Negli Stati Uniti la fonte più nota di minerali contenenti terre rare era all’epoca il Mountain Pass di California dove Hoffman si procurò il minerale, principalmente bastnasite, il cui componente principale è fluorocarbonato di cerio. Utilizzando procedimenti chimici standard su larga scala e piuttosto complicati di estrazione con solventi e cristallizzazione frazionata, nell’ipotesi basata sulle proprietà chimiche, che cerio e plutonio si sarebbero concentrati nel solvente, Hoffman e collaboratori riuscirono a purificare il campione di minerale fino a rilevare in esso la presenza dell’isotopo Pu 244 attraverso misure di spettrometria di massa, in concentrazione stimata di 1 parte su 1018 parti[3]. Il risultato fu pubblicato nel 1971 [2].

Successivamente Glen T. Seaborg[4] definì questa impresa “un tour de force sperimentale”.

Va ricordato che fra il 1952 e il 1960 Darleane Hoffman iniziò a crescere una famiglia, una figlia, Maureane nel 1957 e un figlio, Daryl nel 1959, continuando comunque attivamente il lavoro di ricerca.

Darleane Hoffman col marito e i due figli a Los Alamos nel 1974

Lavoro di ricerca che fece un altro importante passo avanti proprio nel 1971.

Hoffman stava continuando a cercare nuovi isotopi radioattivi di elementi pesanti nei campioni provenienti da test nucleari sotterranei. L’elemento più pesante che fu in grado di rilevare era il fermio 257[5], un attinide con numero atomico 100 e emivita di circa 100 giorni.

Il suo gruppo aveva isolato abbastanza isotopo per studiarne la fissione spontanea, ricontrollando i dati della frammentazione Hoffman fece una scoperta sorprendente. Una parte significativa dei nuclei di fermio 257 non si divideva in modo coerente con la teoria esistente, secondo la quale nella fissione il nucleo atomico si spacca in due nuclei diversi, non simmetrici. La fissione di questi nuclei di fermio produceva invece due frammenti simmetrici di massa uguale, quindi doveva esserci qualcosa di cui la teoria esistente non aveva tenuto conto. Quando Hoffman presentò questi risultati a una riunione dell’American Physical Society, i fisici l’ascoltarono con fare sprezzante. Pare che alcuni le abbiano detto con una risatina: “Bene, i chimici non sanno come misurare queste cose, è meglio che tu vada a casa a controllare i tuoi rivelatori”. Dice Hoffman [1]:

Pensavano che io, come chimico, dovevo aver fatto un errore.

Ma il gruppo a Los Alamos, insieme ai colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) confermarono presto i risultati.

Hoffman aveva scoperto l’importanza dei gusci nucleari nella fissione spontanea. Diversi anni prima era stato postulato che il nucleo atomico fosse costituito da gusci simili ai gusci degli elettroni.

Hoffman seguì questa ipotesi per chiarire il ruolo di questi gusci nucleari nella fissione spontanea degli isotopi del fermio. Hoffman e collaboratori identificarono diversi isotopi del fermio con diverso numero di neutroni nel nucleo. Riporta Hoffman [1]:

L’isotopo fermio 258 ha un tempo di emivita molto basso e può scindersi simmetricamente in due frammenti di massa uguale, entrambi consistenti di gusci nucleari di neutroni e protoni quasi pieni.

È stata una delle mie scoperte più importanti.

L’importanza dei gusci nucleari nei frammenti di fissione fu un notevole passo avanti nella comprensione della fissione spontanea, disse G. T. Seaborg quando commentò i risultati da Berkeley.

Nel 1975, Hoffman divenne una leader del settore di ricerca avente lo scopo di studiare la diffusione dei radionuclidi lontano dal sito dei test nucleari sotterranei. Il suo lavoro in questo progetto è stato un contributo fondamentale alla comprensione del comportamento dei radionuclidi nell’ambiente.

Durante gli anni ’70, Seaborg aveva sviluppato un crescente rispetto per il lavoro scientifico di Hoffman. Nel 1978, grazie a una borsa di ricerca Guggenheim, Seaborg la invitò a lavorare nel Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) da lui diretto. Hoffman accettò e rimase a lavorare a Bekeley per quasi un anno intero sulla fusione spontanea utilizzando il ciclotrone da 88 pollici disponibile all’LBNL.

Hoffman con la collaboratrice Lee al sincrotrone da 88, Berkeley 1979

Tornò a Los Alamos nel 1979, chiamata a dirigere la Divisione di chimica nucleare, prima donna alla guidare una divisione scientifica a Los Alamos. Anche se per un certo tempo ha provato a fare avanti e indietro fra Berkeley e Los Alamos, i suoi doveri amministrativi le ha lasciavano poco tempo per la propria ricerca e la situazione stava diventando sempre più difficile.

Nel 1982 Seaborg compiuti 70 anni sarebbe andato in pensione. Conoscendo il desiderio di Hoffman di continuare la sua ricerca, vide un’opportunità per attirarla al LBNL assicurando così una continuità per la chimica nucleare a Berkeley. Con l’aiuto di altri chimici nucleari del LBNL e dell’

University College di Berkeley, fu in grado di offrire a Hoffman una cattedra a pieno titolo allo University College e la leadership del gruppo di chimica nucleare e radiochimica del LBNL.

Incerta, chiese consiglio al marito Marvin che pare le abbia detto: “Saresti una pazza a rifiutare l’offerta.”

Nell’agosto del 1984, dopo 31 anni a Los Alamos, Darleane e Marvin fecero il grande passo di trasferirsi a Berkeley. Racconta Hoffman [1]:

Ero esitante, di certo non sono andata per sostituire Glenn Seaborg, nessuno poteva farlo, piuttosto ero molto devota alla mia divisione a Los Alamos, sentivo però che era in buone condizioni e che era giunto il momento di aiutare a educare la prossima generazione di studenti nel settore nucleare e radiochimico. E aggiunge: Ovviamente, ciò significava che dovevo rinnegare il voto che avevo fatto in gioventù di non insegnare mai! Ma negli anni ’80 c’erano pochissime donne professori nei dipartimenti di chimica delle principali università e ho sentito l’obbligo di aiutare a formare donne e uomini nel settore. Ero solo la seconda donna all’University College di Berkeley, arrivata poco dopo Judith Klinman, che in seguito divenne la prima donna Preside della Facoltà di Chimica.

In effetti, dall’arrivo di Hoffman a Berkeley altre quattro donne si aggiunsero al personale docente dell’University College e Darleane ne fu molto orgogliosa.

Hoffman è grata per gli anni in cui ha lavorato con Seaborg, morto nel 1999. Di lui dice [1]:

Era gentile, generoso e un meraviglioso mentore. Seaborg era alto un metro e settantacinque, io sono a malapena sopra 1,50. Preferiva le scale per partecipare alle riunioni nel campus ed era letteralmente difficile per me tenere il suo passo.

Darleane C. Hoffman e G.T. Seaborg

Insieme a Seaborg e a Albert Ghiorso hanno pubblicato il libro “The Transuranium People. The Inside Story” [3].

Una volta stabilitasi a Berkeley, Hoffman ha continuato il suo lavoro di individuazione degli isotopi di elementi transuranici. Continuò dapprima il lavoro sul fermio, poi ha contribuito alla caratterizzazione del bohrio (Bh), l’elemento 107, oltre a verificare l’esistenza di elementi più pesanti. Il suo gruppo ha anche confermato la scoperta nel 1974 dell’elemento 106, permettendo così che fosse chiamato Seaborgio (Sg) in onore di Glenn Seaborg.

Il gruppo di Hoffman è stato il primo a studiare la chimica in soluzione acquosa dell’elemento 105[6] . Tali studi sono stati condotti utilizzando un isotopo del 105 avente un’emivita di 34 secondi !.

Nel 1991 si ritirò dall’insegnamento attivo per aiutare a fondare il Seaborg Institute for Transactinium Science al LLNL, di cui è stata il primo direttore dal 1991-96. Nel 1997, il presidente Bill Clinton l’ha premiata con la National Medal of Science, la più alta onorificenza pubblica che uno scienziato può ricevere negli Stati Uniti. Nel 2000 ha ottenuto La Medaglia Priestley della American Chemical Society, la più prestigiosa onorificenza conferita da questa società. In precedenza, nel 1983 la stessa ACS le aveva assegnato il Premio per la Chimica Nucleare.

Hoffmann riceve la National Medal of Science, 1997

Ma l’infaticabile Darleane non si ferma, nel 2011 si reca a Oslo per partecipare a un Convegno in ricordo del centenario del Premio Nobel a Marie Curie dove parlò verso la fine della conferenza, dopo l’intervento della nipote della Curie, Helène. “Era un compito difficile perché Helène è un noto fisico nucleare francese, ma mi sono concentrata sulla lezione tenuta da Marie Curie in occasione del ricevimento del Nobel, in cui predisse l’uso della chimica per identificare nuovi elementi”.

Ma i coniugi Hoffman erano già stati in Norvegia nel 1964 con borse di studio postdottorato e vi rimasero per un anno. Visitarono anche l’antica casa del bisnonno di Darleane, di nazionalità norvegese. La figlia Marleane frequentò la prima elementare a Oslo, imparando un “norvegese di primo livello”. Nel 1991 Darleane Hoffman fu eletta membro della Norvegian Academy of Science and Letters.

Hoffman non è stata solo un modello per le donne che intendevano intraprendere la carriera scientifica ma ha lavorato con organizzazioni aventi lo scopo di incoraggiare le giovani donne allo studio delle scienze. Quando le è stato chiesto perché tanti importanti ricercatori nel nucleare sono state donne, Hoffman rispose: Era un campo nuovo, e poi le donne sono sempre in grado di assumere nuovi ruoli. Inoltre vi era una gerarchia meno consolidata e le donne incontravano meno ostacoli che in campi scientifici più tradizionali [1].

Oltre al riferimento [1] altre informazioni biografiche si trovano in SMALL-TOWN IOWA GIRL MAKES GOOD, http://pubs.acs.org/cen/hotarticles/cenear/032700/print/7813pries.html

 

Bibliografia

[1] D. Hoffman, Adventures in the nature of matter, Catalyst, 2011/2012, 6(2), 12-15.

[2] D.C. Hoffman, F.O. Lawrence, J.L. Mewherter, F.M. Rourke, Detection of Plutonium-244 in Nature., Nature, 1971, 234, 132–134.

[3] D. Hoffman, A. Ghiorso, G.T. Seaborg, The Transuranium Peole. The Inside Story., 2000, Imperial College Press, London, 2000.

[1] Terril è veramente un piccolissimo comune di circa 400 abitanti allora come oggi, con una scuola (elementare e media) e una chiesa, vedere la mappa satellitare:

https://www.google.it/maps/@43.3059332,-94.9782066,2299m/data=!3m1!1e3

[2] Dal 1960 Iowa State University of Science and Technology.

[3] Il procedimento utilizzato da Hoffman è in scala più ridotta, simile a quello che portò Marie Curie a isolare prima il polonio e poi il radio da tonnellate di pechblenda, un minerale contenente uranio, nel 1898. Del resto Hoffman afferma che fino da ragazza aveva avuto Marie Curie come modello di donna completamente realizzata [1].

[4] Glenn Theodore Seaborg (1912-1999) chimico statunitense di origine svedese, allievo di G.N. Lewis a Berkeley Premio Nobel per la chimica 1951 (insieme a E.M. McMillan e A.J. Porter Martin) con la motivazione: per le loro scoperte sulla chimica degli elementi transuranici.

[5] Il fermio, elemento transuranico artificiale radioattivo fu scoperto nel 1952 nei frammenti dell’esplosione della prima bomba nucleare all’idrogeno, dal gruppo di ricerca di Abert Ghiorso, scienziato statunitense che ha contribuito alla scoperta di molti elementi transuranici.

[6] All’epoca, 105 era conosciuto informalmente come hahnium (uno dei nomi proposti), ma in seguito fu ufficialmente chiamato dubnio.