Valchirie e particelle cariche

L’aurora è uno dei fenomeni  atmosferici più suggestivi e ha sempre suscitato stupore e meraviglia ispirando auspici e leggende. Ad esempio si credeva che fosse creata dalle valchirie durante le loro cavalcate nei cieli o da volpi artiche che correndo sbattevano la coda sulla neve.

La spiegazione scientifica di questo affascinante fenomeno non è meno suggestiva. Quello che si può osservare è il suo manifestarsi come un arco luminoso di colore solitamente verde-bianco (ma i colori possono essere diversi e in seguito si vedrà anche perchè) di intensità variabile localizzato in una zona compresa tra i 100 km e i 1000 km sulla superficie terrestre.

Le prime ipotesi di cui ho trovato informazioni risalgono al ‘700 quando scienziati del calibro di Celsius, di Dalton e Biot iniziarono a studiare l’aurora osservando che poteva essere associata a interferenze magnetiche, misurandone l’altezza con il metodo della triangolazione e e proponendo legami con le eruzioni vulcaniche. Prima del 1888, però, l’ipotesi più accreditata era quella  secondo cui la luce aurorale  fosse luce solare riflessa da cristalli di ghiaccio presenti nell’atmosfera.  Nel 1888 il fisico svedese Ångström sfruttò le sue conoscenze della spettroscopia, scienza di cui fu uno dei fondatori, per dimostrare che la luce aurorale era molto diversa dalla luce solare: mancavano molte lunghezze d’onda presenti nello spettro solare e si osservava una forte analogia  tra lo spettro aurorale e quello prodotto applicando una forte differenza di potenziale ai capi di un tubo di vetro contenente del Neon.

C’erano perciò buone ragioni per supporre che l’origine della luce fosse simile. Nel tubo gli elettroni si muovono dall’elettrodo negativo a quello positivo , urtando gli atomi di neon (o di un gas analogo) presenti sulla loro strada. Nell’urto tali atomi vengono eccitati: gli atomi rimangono però in stato eccitato per poco tempo perchè la situazione con più energia è meno stabile e ritornano allo stato di riposo emettendo l’energia abbondante sotto forma di radiazione luminosa. Il colore di tale radiazione (o meglio la sua frequenza, visto che non necessariamente sarà radiazione elettromagnetica visibile) dipenderà dal tipo di gas contenuto nel tubo. In modo del tutto analogo la luce delle aurore è legata ad un processo di scarica elettrica che eccita gli atomi e le molecole presenti nelle regioni più alte dell’atmosfera.

La scarica e gli elettroni che la costituiscono derivano dall’interazione del vento solare con il campo magnetico terrestre. Nell’esperimento del tubo pieno di Neon per applicare una differenza  di potenziale si collega sostanzialmente il tubo ad un generatore che di solito sfrutta l’induzione. In questo tipo di generatori la corrente elettrica è prodotta muovendo un conduttore in un campo magnetico. La potenza aurorale viene prodotta in modo molto simile: infatti dallo strato più esterno del Sole, la corona, defluisce il vento solare che è costituito da gas che per l’alta temperatura a cui si trova è costituito da nuclei ed elettroni slegati (si tratta di plasma) ed è quindi un conduttore. Tale conduttore è in moto relativo rispetto ad un magnete: la Terra!  Ci troviamo così di fronte ad un vero proprio generatore che è molto potente: una grande centrale elettrica produce circa 1000MW e l’aurora polare ne produce da 1000 a 10000 volte tanto.

Ma ritorniamo al vento solare: il suo muoversi allontanandosi dal Sole confina il campo magnetico terrestre in una cavità a forma di cometa (con la coda in direzione antisolare e la Terra nel nucleo) avvolta da un “involucro” detto magnetopausa. Alla distanza di circa 10 raggi terrestri dalla superficie della Terra il modulo del campo magnetico terrestre è uguale a quello del campo magnetico solare, pertanto i due campi si interconnettono. Le particelle che costituiscono il vento solare verranno pertanto deflesse a seconda della loro carica in modo diverso dalla forza di Lorentz. I protoni vengono deflessi in senso antiorario e viceversa gli elettroni in senso orario. Si forma così una corrente  che fluisce dal terminale positivo sale a quello negativo seguendo cammini elicoidali intorno alle linee di campo. A questo punto la situazione si complica perchè si formano ulteriori circuiti, detti circuiti secondari, ma il succo della questione è nel fatto che queste correnti urtano atomi e molecole presenti nell’atmosfera inducendoli per il meccanismo visto prima ad emettere luce.

A questo punto è possibile capire i diversi colori delle aurore: i fattori sono il tipo di gas (a seconda della sua configurazione elettronica) e l’energia degli elettroni che producono l’eccitazione. Nella ionosfera l’atmosfera è costituita prevalentemente da ossigeno  atomico e ad essi è dovuta la luce aurorale più comune, quella bianco-verde. Gli elettroni più energetici, che riescono a penetrare più profondamente nell’atmosfera si scontrano invece con atomi di azoto neutro, producendo aurore di color rosso-rosa , mentre se urtano azoto ionizzato emettono luce color blu-violetto. In realtà la luce aurorale è fatta anche di altri “colori” che però il nostro occhio non è in grado di vedere: raggi X, radiazione ultravioletta e infrarossa. Ma direi che ci possiamo accontentare!

Questo breve articolo non contiene neanche un millesimo di tutto quello che si sa, che si cerca di scoprire sull’aurora. Particolarmente interessanti sono anche le sue forme, decise dalla combinazione di molte variabili in gioco, e i suoi movimenti. Inoltre non sono affatto un fenomeno che si verifica soltanto sul nostro pianeta: anche Mercurio, Saturno, Venere e Giove hanno infatti una magnetosfera che permette questi fenomeni.

Con questo concludo questo post, sperando che sia risultato interessante:  per chi fosse interessato consiglio i lavori del ricercatore S.I.Akasofu (sono comparsi suoi articoli su LeScienze e su Physics Teacher e probabilmente anche altrove) e “The Aurora Page”. Se ci sono errori vi invito a correggermi!

Carpe Diem

( via xkcd )

Cenni di interferometria

Questo breve post vuole offrire una panoramica generale sull’interferometria con particolare attenzione all’interferometro di Michelson. L’interferometria consiste sostanzialmente nello sfruttare l’interferenza fra più onde di luce (luce inteso nel senso ampio del termine come radiazione elettromagnetica e non solo luce visibile) coerenti , vale a dire che conservano la relazione tra le loro fasi durante la loro propagazione, per compiere delle misure molto precise.

Queste misure possono essere misure di lunghezze d’onda o di distanze dell’ordine di grandezza delle lunghezze d’onda utilizzate (supponendo che siano note). Inoltre gli interferometri possono essere utilizzati anche per studiare le proprietà ottiche, indici di rifrazione, di diversi materiali, sfruttando le differenze di cammino ottico.

Siccome esistono moltissimi tipi di interferometri in circolazione qui mi occuperò soltanto di uno, che è probabilmente il più semplice, ma è piuttosto versatile: l’interferometro di Michelson.

Come si può osservare dallo schema attraverso un proiettore viene inviato un fascio di luce coerente (ad esempio con un laser) che viene scisso in due parti dallo specchio al centro, che  ha la proprietà di essere semiargentato, in altre parole metà del fascio verrà riflessa e l’altra metà trasmessa (viene infatti chiamato beamsplitter). Entrambi i fasci verranno riflessi da due specchi e tramite una riflessione/trasmissione dello specchio semiriflettente finiranno dentro il nostri rilevatore (che può anche essere banalmente uno schermo su cui osserviamo l’interferenza).

Ora, i due fasci nel punto in cui rileviamo interferiranno tra loro e la figura di interferenza dipenderà da molti fattori tra cui:

• la lunghezza d’onda della luce usata
• dalle lunghezze dei bracci dell’interferometro e in generale dalle distanze in gioco
• dall’eventuale differenza degli indici di rifrazione dei materiali (eventualmente diversi) attraverso cui si propagano i due fasci

Pertanto conoscendo alcune di queste variabili perchè le imponiamo noi oppure abbiamo modo di misurarle diversamente possiamo ricavarne le altre.

Gli interferometri vengono utilizzati anche in astronomia sotto forma soprattutto di radiointerferometri (vale a dire lavorando con lunghezze d’onda dell’ordine di quelle delle onde radio) e, ma forse a questo verrà dedicato un altro post, l’interferometro di Michelson, perfezionato da Michelson stesso e da Morley ha permesso di smentire l’ipotesi dell’etere attraverso il cosiddetto esperimento di Michelson-Morley .

Mi rendo conto che questo post è piuttosto stringato perciò se ci sono curiosità o errori  commentate!

Elettroforesi

L’elettroforesi è una tecnica basilare non solo della biologia, ma anche della diagnostica in generale. Trova un sacco di applicazioni dovute alla sua versatilità. Le elettroforesi più comunemente utilizzate solo le elettroforesi su Gel e si basano sulla capacità delle molecole biologiche di migrare in un campo elettrico. Questa capacità è dovuta dal fatto che la macromolecola biologica possiede una carica elettrica totale, positiva o negativa, e quindi, se posta in un campo elettrico, migrerà verso l’elettrodo di carica opposta.  Questa capacità di far migrare una carica in un campo elettrico può essere sfruttata per separare  le nostre molecole in base al loro rapporto z/m dove z solitamente simboleggia la carica e m, ovviamente, la massa, (anche se, parlando di molecole, dovrebbe essere Mw: molecoular weight e misurarsi non in grammi ma in dalton, ma alla fine è il concetto ad interessarci).
Le molecole che di solito vengono separate in elettroforesi sono solitamente gli acidi nucleici (DNA, RNA) e le proteine. essendo due classi di molecole diverse, meritano attenzioni distinte. Ora passiamo ad illustrare la tecnica in generale.

Come facciamo a preparare un’elettroforesi? Abbiamo bisogno di un gel, un supporto, generalmente di plastica, in cui inserire il gel e in cui attaccare gli elettrodi, un generatore di voltaggio, e una soluzione tampone, che serve a formare il contatto elettrico tra gli elettrodi e il gel (in pratica favorisce il flusso delle cariche). Esistono due tipi di gel: i gel di agarosio e i gel di poliacrilammide; L’agarosio è un derivato polisaccaridico di alcuni tipi di alghe, mentre l’acrilammide, che è il monomero che costituisce, appunto, le molecole di poliacrilammide, è una neurotossina e pertanto, durante la preparazione, questo gel va trattato con attenzione. Sin da ora vi dico che, qualora trovaste la sigla AGE, questa sta per: Agarose Gel Electrophoresis, mentre la sigla PAGE sta per:PolyacrylAmide gel Electrophoresis.
L’ultrastruttura di questi gel è costituita da pori, i quali permettono la migrazione delle molecole. Le dimesioni dei pori sono controllabili dall’operatore in base alla percentuale di Agarosio e di Acrilammide. Più i pori sono larghi, più facilmente le molecole migreranno, più sono stretti, e più, ovviamente, incontraranno resistenza.
Quando si prepara il gel, solitamente lo si allestisce diluendo l’agar o l’acrilammide in un tampone a temperature elevate (di solito si utilizza un microonde) e pertanto, inizialmente, il gel sarà liquido. Soltanto quando si raffredderà assumerà la tipica consistenza gelatinosa. Durante il raffreddamento, si inserisce alla sommità del gel un pettine (non quello per i capelli, ma la struttura è simile), i cui dentelli formeranno, nel futuro gel, dei pozzetti dentro ai quali si inseriranno i campioni da far correre.

il gel così formato verrà inserito nel supporto di plastica, i campioni verranno caricati nei rispettivi pozzetti (questa è una operazione che è divertente quanto stressante da eseguire, perchè è piuttosto difficile vedere i pozzetti trasparenti su un gel trasparente anch’esso; è perciò piuttosto facile rompere i pozzetti, oppure non centrarli e quindi riversare il campione al di fuori. Ci vuole solo un po’ di manualità, e ricorrere a qualche trucco, come mettere uno striscio di carta colorata sotto al gel in modo da far risaltare i pozzetti). Si ricopre il gel di soluzione tampone, si attaccano gli elettrodi (facendo attenzione e non invertirli), si aziona il generatore di voltaggio (generalmente 80V per 30 minuti) e si attende. quindi si preleva il gel e si mettono in evidenza le bande così ottenute. Generalmente, uno dei classici metodi per mettere in evidenza il DNA si basa sull’utilizzo di agenti intercalanti come l’etidio bromuro o il propidio ioduro che se eccitati con UV sono fluorescenti. Siccome però questi sono agenti cancerogeni molto pericolosi, ora si utilizzano altri agenti (SYBR GREEN).. anche se noi in laboratorio abbiamo usato il bromuro di etidio, ma lasciamo perdere. Per quanto riguarda le proteine, invece, si utilizzano altri coloranti, come il blue comassie. Più o meno, ecco come si presenta il tutto:

legenda:

Well: pozzetto
Buffer: Tampone
SDS-PAGE: Elettroforesi in Gel di PoliacrilAmmide con Sodio Dodecil Solfato (vedremo dopo cos’è questo componente)

Quest’immagine mostra chiaramente come le molecole grandi corrano di meno nel gel rispetto a quelle piccole. in questo caso sono mostrate proteine.

Ora due considerazioni di carattere tecnico. La prima riguarda il fatto che, come potete vedere nella figura, i pozzetti con i campioni da far correre sono in alto, o comunque ad un marigine del gel. Questo significa che dovremo fare attenzione a come posizioneremo gli elettrodi per far sì che i campioni corrano verso basso e non verso alto. se ho del DNA, questo avrà carica negativa; tenderà a spostarsi verso l’elettrodo positivo (l’anodo), che andrà pozionato quindi dalla parte opposta dei pozzetti. se noi lo posizonassimo sullo stesso lato, non otterremo nessuna corsa perchè lo spazio è troppo breve.
La seconda riguarda invece la preparazione dei campioni per la corsa. Ho detto all’inizio che la corsa elettroforetica sarà influenzata dal rapporto z/m. Ma dobbiamo tener conto anche di un altro fattore, ovvero la forma del campione, dove per forma intendo la struttura. Come sappiamo, sia gli acidi nucleici che le proteine hanno delle conformzioni piuttosto complesse, queste influenzano significativamente la corsa di un campione. Pertanto spesso si aggiungono dei denaturanti in modo da standardizzare la situazione. In più va detto che poichè le proteine possono avere carica variabile (gli amminoacidi hanno cariche diverse) si utilizza durante la corsa un agente che oltre a denaturarle, conferisce loro una omogenea carica negativa, in modo che la corsa avvenga solo in base alla MW, questo agente è l’SDS (sodio dodecil solfato).

Alla fine, dopo tutta questa tiritera, avrete un risultato simile:

In questo gel sono presenti due set di campioni  separai (DNA), uno superiore e uno inferiore.

le due strisce laterali di sinistra, quella superioe e qualla inferiore sono costituite da campioni standard di Mw note. Facendo quindi un confronto con queste bande, si può risalire al peso molecolare dei nostri campioni. Per una determinazione più precisa è possibile ricorrere alla seguente formula:

Rf= (Distanza migrazione del campione)/(distanza migrazione del colorante)

l’Rf è la mobilità elettroforetica; la distanza di migrazione del campione è la distanza percorsa dalla banda specifica dal pozzetto. Mentre la distanza del colorante è la distanza percorsa dal fronte del colorante. C’è una correlazione lineare tra l’Rf e il LogMw; si costruisce quindi una retta di taratura tra l’Rf e il LogMW dei campioni noti. Calcolando poi l’Rf dei nostri campioni da determinare, è facile risalire (grazie all’equazione della retta trovata) alla massa molecolare.

Ora vediamo un po’ di applicazioni pratiche: immaginamo di aver appena eseguito una PCR (per vedere cos’è in brevis una PCR potetevi leggervi un mio vecchio Post), e di voler vedere se abbiamo amplificato il frammento di DNA corretto, e se ci sono rumori di fondo (ovvero frammenti di DNA che si sono amplificati pur non essendo specifici ai primer). Io so (o in teoria dovrei sapere) le dimensioni  e la massa del mio frammento di DNA amplificato, e posso pertanto prelevare un’aliquota del mio campione, fare una corsa elettroforetica su un gel e vedere se si evidenzia  su questo gel una banda corrispondente al peso molecolare noto. Se la banda è nitida avremo avuto una amplificazione specifica, se invece vedremo sbavature, avremo ottenuto un’amplificazione indesiderata. Questo potrebbe farci indurre a ripetere l’esperimento.
L’elettroforesi è anche usata per la determinazione delle proteine presenti nel plasma (anzi, per meglio dire, nel siero) come ad esempio le immunoglobuline, le albumine, ecc…
Alcune tecniche di sequenziamento del DNA si basano sull’unione della PCR con l’elettroforesi. Insomma, l’elettroforesi è uno strumento estremamente utile e anche piuttosto semplice che è oramai insostituibile.

vi do un link molto molto bello, con molte immagini che vi illustreranno meglio il concetto:

Scienze a scuola

Per ultima cosa, è mio dovere aggiungere che esistono ovviamente diversi altri tipi di elettroforesi, come L’elettroforesi bidimensionale, e l’elttroforesi in campo pulsato, e che questo che ho appena spiegato è quello di base.

Come sempre, se avete dubbi, curiosità, domande, obiezioni, io sono qui. Ciau!

Shtetl Optimized

Mi ero promessa di scrivere questo post una volta che avessi letto tutto il blog in questione, ma poco fa mi sono resa conto che allora avreste visto questo articolo in un futuro molto remoto vista la vastità del sito. Sentivo però il dovere di parlarne perchè merita decisamente l’attenzione di chiunque si occupi di scienza.

In particolare è da consigliare a chi si interessa di matematica e di Informatica (con la I maiuscola, in poche parole chi considera l’informatica non come la scienza di photoshop, ma come la teoria che si occupa dell’informazione nel senso più generale del termine, niente contro che usa bene Photoshop, anzi) perchè contiene alcune collezioni notevoli di lezioni, molto interessanti e gradevoli da leggere intitolate ad esempio Quantum Computing since Democritus, oppure Great Ideas in Theoretical  Computer Science. 

Credo che possano interessare davvero a tutti invece alcuni post dedicati alla scienza in generale e in particolare modo alla divulgazione scientifica come questo , oppure questo. In particolare vorrei ancora condividere queste parole che credo siano davvero importanti:

“Here’s my advice: write the most informal, sloppy, essayistic, stream-of-consciousness, conversational papers you can possibly get away with. Write as if you were firing off an email to a skeptical but impatient friend. I promise to do my part by reviewing such papers leniently (at least in terms of the presentation), and no longer demanding pointless revisions.”

Su questo (magari leggendo il post in questione potete focalizzare meglio il problema) credo di avere poco da dire, in quanto sono ancora molto lontana da dover scrivere un vero articolo scientifico, però se non altro si tratta di una voce “fuori dal coro” e credo che se davvero le migliori menti del mondo devono dedicare troppo tempo alla burocrazia, forse ne risentiamo tutti… Ma forse sono ancora troppo inesperta per capire!

Di uova e di bottiglie

Un’oca depone un uovo in una bottiglia.

Più tardi, l’uovo si rompe e ne esce un’altra oca.
” Come farà questa seconda oca a uscire dalla bottiglia ? “
chiede il maestro al suo discepolo.

Il monaco si ritira a meditare.
Vent’anni dopo, chiede un colloquio con il maestro e gli annuncia di aver risolto il koan

” Come l’hai risolto ? ” chiede il maestro

“L’oca è uscita ” risponde il discepolo

Questo koan penso possa essere adatto ad introdurre l’argomento di questo breve post.  Il problema in realtà è un po’ differente: ci chiediamo come sia possibile far entrare un uovo sodo in una bottiglia di vetro dotata di un’imboccatura leggermente più stretta della larghezza dell’uovo.

Dalle mie ricerche e da quanto ho sentito in giro ci sono prevalentemente due modi. Il primo può essere visto in questo video:

Consiste nell’incendiare un po’ di carta dentro la bottiglia di vetro e appoggiare l’uovo (che deve essere sodo e sgusciato) sull’imboccatura: esso verrà risucchiato. Il perchè è legato al legame tra temperatura e pressione: finchè la fiamma rimane accesa l’aria si espande e “scappa” dalla bottiglia prima che noi ne copriamo l’imboccatura con l’uovo e scivolando ai lati dell’uovo una volta che la bottiglia è “tappata”. Successivamente però la fiammella si spegne e l’aria rimasta si raffredda: tende perciò a contrarsi e crea un risucchio: l’uovo entra perciò nella bottiglia spinto dall’aria che fuori dalla bottiglia cerca di entrare.

Un altro metodo, che potremmo definire più chimico, non richiede che l’uovo sia sgusciato. Si lascia l’uovo immerso nell’aceto per qualche tempo, cosicchè il carbonato di calcio, che è ciò che rende rigido il guscio dell’uovo, essendo una base reagirà con l’aceto (che è un acido). Questo si può vedere anche con una leggera effervescenza. In seguito l’uovo sarà più molle e sarà possibile forzarlo attraverso il collo della bottiglia. Volendo si può inserire nella bottiglia del bicarbonato di calcio che riconferirà rigidità al guscio, intrappolando definitivamente l’uovo dentro la bottiglia.

Tutto quello che avreste fatto volentieri a meno di sapere, parte II

L’argomento di questo post mi è venuto sfogliando il libro di fisiologia…vi siete mai chiesti come mai non possiamo bere acqua di mare? E’ per un motivo di osmosi.
L’acqua di mare è molto più concentrata dei nostri fluidi corporei, per tanto se noi la beviamo, provocheremo un drammatico aumento dell’osmolarità del plasma (in quanto l’acqua viene assorbita soprattutto dal circolo sanguigno). Per riequlibrare la concentrazione plasmatica, il nostro organismo cerca di produrre urine più concentrate, attraverso la secrezione dell‘ADH (ormone anti diuretico). Tuttavia, i nostri reni hanno un limite, e questo limite è dato dal fatto che, sempre per una questione di osmosi, se nei reni l’urina che si produce è troppo concentrata rispetto all’ambiente circostante, avverrà uno spostamento di acqua dall’ambiente circostante verso l’urina, per riequilibrare. Tale volume d’acqua viene definito perdita d’acqua obbligatoria. Dove sta però il problema? Le urine che si formerebbero sarebberò così concentrate, che la perdita d’acqua obbligatoria sarebbe superiore al volume di acqua di mare che abbiamo bevuto. Quindi alla fine al posto di guadagnare liquidi, ne perdiamo.

basta fare un esempio:

Secondo il libro, l’acqua di mare ha una concentrazione di 2400 mOsm (milliosmolare), e sempre secondo il libro, il plasma ha una concentrazione otto volte inferiore, circa 300 mOsm.
Assumiamo di bere un litro di acqua di mare, la concentrazione del plasma aumenterebbe di moltissimo. Come abbiamo detto, viene secreto l’ADH, e nei reni, per riportare alla normalità la situazione, viene riassorbita una grande quantità d’acqua e contemporaneamente si cerca di eliminare il quantitivo di soluti in eccesso (approssimativamente 2400 mOsm).
La concentrazione massima di urine che i nostri reni possono produrre (per il motivo che abbiamo detto prima, c’è una concentrazione massima di urine oltre la quale i nostri reni perdono acqua, anzichè trattenerla) è 1400mOsm. Poichè le urine prodotte avrebbero una concentrazione pari appunto a 2400 mOsm, avviene una perdita d’acqua per riportarle a 1400mOsm. Questoaperdita equivale ad un volume di acqua di circa 1.7 litri (2400 mOsm/1400 mOsm= 1.7 l), ovvero 0.7 litri in più a quanto bevuto in partenza.

Ci sono animali in grado di produrre urine molto più concentrate di noi esseri umani, soprattutto quelli che vivono in ambienti aridi, e pertanto loro potrebbero abbeverarsi con l’acqua di mare, cosa che non escludo che facciano.

Come sempre, le domande e le eventuali correzioni, sono ben accette se non d’obbligo

Tutto quello che avreste volentieri fatto a meno di sapere

Il titolo non è meraviglioso? Eh eh.. l’argomento lo sarà ancora di più… fidatevi (no..non fatelo).
Sapevate che l’intolleranza alimentare è cosa diversa dall’allergia alimentare? Per intolleranza si intende la mancanza di uno o più enzimi, e quindi la mancata digestione di un alimento. Per allergia alimentare invece si intende lo scatenarsi di una vera e propria risposta immunitaria nei confronti di una o più molecole. Spesso si tendono a confondere i due fenomeni, quando invece hanno nature completamente diverse.
Ad esempio, coloro che non possono bere latte o mangiarne i derivati, perchè sono soggetti a spasmi e crampi addominali (molto, molto dolorosi), diarree e chi più ne ha più ne metta, sono intolleranti al lattosio. Questo perchè nel loro intestino il lattosio non viene digerito. Il lattosio è un disaccaride, ovvero una molecola formata da due zuccheri semplici: il glucosio e il galattosio; normalmente viene digerito dalla lattasi nel nostro intestino tenue, la quale scinde il disaccaride nelle sue due componenti. il Glucosio e il Galattosio possono così essere assorbiti dall’intestino, mentre il lattosio intero non viene assorbito. Negli intolleranti manca la lattasi, in questo modo il lattosio resta indigerito, e questo causa due eventi:

1) Essendo il lattosio presente nel chimo, ne aumenterà la pressione osmotica, e questo impedirà il  riassorbimento di acqua da parte dell’epitelio intestinale. Questo causa la diarrea.

2) Il lattosio viene fermentato dalla flora intestinale, causando la produzione di CO2 che provoca lo stiramento della parete intestinale, causando gli spasmi e i crampi addominali, nonchè la flatulenza.

Quando invece è coinvolto il sistema immunitario abbiamo le reazioni di ipersensibilità, ovvero una reazione immunitaria  smodata, dovuta ad un’ipersensibilità nei confronti di un antigene. Solitamente queste reazioni fanno capo all’ingestione di una o più molecole immunogeniche, in grado cioè di sviluppare una risposta immunitaria. La stragrande maggioranza di molecole immunogeniche è di natura peptidica.

esistono due grossi tipi di  reazioni di ipersensibilità alimentari: a reazione immediata e a reazione ritardata. Le prime manifestano i sintomi immediatamente, con orticaria, vomito, difficoltà respiratorie, edemi e nei casi più gravi Shock Anafilattico. Questo tipo di allergia è simile in tutto e per tutto alle comuni allergie al polline, alla forfora del gatto, ala polvere ecc… e si basano su una sovraproduzione di IgE oppure IgA. Le seconde invece sono delle ipersensibilità di tipo ritardato, e manifestano i propri sintomi dopo un certo periodo di tempo. I sintomi sono meno specifici, e più difficili da riconoscere; per questo molte persone non sanno di avere. problemi di questo tipo Possono essere mal di testa, stanchezza, dolore.. come vedete nulla di così particolare da far presupporre una ipersensibilità. Non sono mediate da Ig, ma da Linfociti T, immunocomplessi ecc. Un esempio é quello della celiachia, una patologia dovuta ad una ipersensibilità al glutine.

Come sempre se avete domande, correzioni, aggiunte da fare, scrivetelo nei commenti!!

Cloning a gene….

Ok, rieccomi! So che aspettavate da tanto il mio ritorno. (certo certo, come no..). Allora, questo Post è dedicato ad un aspetto molto interessante della biologia molecolare di base, il clonaggio. Un clone è, come sapete, un organismo esattamente uguale ad un altro dal punto di vista genetico. Ora, per clonaggio io non intendevo quello che è stato fatto con la pecora Dolly (vi ricordate?), ma mi riferivo al clonaggio di singoli geni. Perché spesso per i ricercatori è molto utile avere grandi quantità di singoli geni, perché in questo modo è possibile sequenziarli o utilizzarli come sonde per studiarne l’espressione in tessuti o organismi. Oppure, per inciso, è anche possibile spezzettare il genoma di un organismo, clonare i singoli frammenti, e ottenere così le cosiddette librerie (library) nelle quali vengono conservati questi frammenti di DNA e utilizzati quando occorre; esistono diverse tipi di library, ma non è questo l’argomento del post.
Vi dicevo, appunto, clonaggio di geni. Per clonare un gene, ma è anche possibile clonare diversi geni contemporaneamente, possiamo sfruttare la potenza e l’efficienza di uno strumento di cui la natura già dispone, ovvero l’alta capacità replicativa dei microorganismi. Se noi, quindi, riusciamo ad inserire il gene di nostro interesse in un batterio od in un lievito e lo lasciamo replicare, otterremo molte copie del gene di partenza. Il problema è: come introduciamo questo gene? Alcuni microrganismi hanno la capacità di assumere DNA dall’ambiente esterno, ma è un processo raro e poco efficiente, senza contare che, se non si inserisce nel cromosoma batterico, non verrà tramandato alla progenie, rendendo il clonaggio impossibile. Vengono così utilizzati dei vettori (sempre delle molecole di DNA) in cui inizialmente si inserisce il gene di interesse, e secondariamente si fa in modo che questo vettore venga assunto dal microorganismo. Cosa cambia, direte voi, inserire il gene singolarmente dall’inserirlo come parte di una molecola di DNA più grande? Cambia eccome, e ora vediamo il perché.

Esistono diversi tipi di vettori, qui ci concentreremo sui più utilizzati, ovvero i plasmidi. Un plasmide è una molecola di DNA circolare extracromosomiale naturalmente presente all’interno di alcuni batteri. Può avere dimensioni variabili e solitamente non è indispensabile al batterio, ma è in grado comunque di dare alcune capacità aggiuntive come ad esempio la resistenza ad alcuni antibiotici, la capacità di metabolizzare substrati particolari ecc. Viene replicato ad ogni divisione cellulare grazie alla presenza di una sequenza, detta origine di replicazione, riconosciuta dalle DNA polimerasi batteriche. In questo modo il batterio si assicura che la sua progenie avrà lo stesso plasmide. Capite, vero, il significato evolutivo di questo processo?

I ricercatori sfruttano questo potente mezzo per clonare i geni di interesse. I plasmidi utilizzati di solito sono sintetici e hanno una struttura simile:

Come vedete, è una molecola circolare. Ma ha anche molte altre caratteristiche, fin più interessanti. Innanzitutto, come ogni buon plasmide che si rispetti, ha un’origine di replicazione, indicata come ori. Le frecce indicano la direzione del plasmide, ovviamente quella canonica 5’-3. La freccia nera è il sito multiplo di clonaggio (MCS) o polylinker. È una sequenza piena di siti di restrizione noti, ovvero siti in cui gli enzimi di restrizione tagliano specificamente il DNA. Questo è di cruciale importanza. Se noi vogliamo inserire un gene in questo plasmide, dobbiamo procedere al taglio dello stesso. Ma non un taglio a caso, assolutamente no! Deve essere un taglio specifico (uno e uno solo, altrimenti il plasmide non potrà più ricomporsi circolarmente). Inoltre le due estremità del plasmide libere, derivanti da questo taglio, non dovranno essere nette, come se fossero state tagliate da un paio di forbici (in gergo le estremità di questo tipo vengono chiamate Blunt, da non confondere col cantante!), ma sfalsate; per sfalsate significa che uno dei due filamenti del DNA sporge rispetto all’altro (è chiaro che se un estremità ha il filamento 5’-3’ sporgente, l’altra estremità avrà sporgente il filamento opposto), in modo che queste estremità possano riappaiarsi molto facilmente, vengono dette infatti sticky ends, ovvero appiccicose. Come mostrato in figura:

Ebbene Questo taglio ci serve per poter inserire nel plasmide il nostro gene di interesse. Quest’ultimo, a sua volta, dovrà avere le estremità adatte per poter legarsi al plasmide. Per ottenere questo si legano alle estremità del gene degli oligonucleotidi e li si taglia con lo stesso enzima di restrizione che si usa nel plasmide, in questo modo le estremità appiccicose sono complementari, e si potrà avere l’inserimento del gene nel plasmide. l’enzima di restrizione non deve però tagliare il gene in altri punti, ma solo alle estremità, per questo si deve fare molta attenzione agli enzimi di restrizione da usare (esistono dei programmi che individuano tutti i siti di restrizione presenti in una data sequenza, è meglio usarli per sapere se ci sono enzimi di restrizione che tagliano nel MCS ma non nel gene). Per far legare il gene con il plasmide, si utilizza un enzima chiamato Ligasi; la reazione si chiama di Ligazione.In teoria, voi direte, è finito qua; nel senso, noi inseriamo il gene nel plasmide, e non paghi di ciò inseriamo il plasmide ricombinante nei batteri(questo processo è chiamato trasformazione). Mettiamo i batteri a crescere, felici e contenti, su un terreno solido e otteniamo tantissime copie del nostro plasmide, e quindi del nostro gene. Già, peccato che c’è un piccolissimo ed insignificante dettaglio. Se facessimo solo così noi non avremmo la possibilità di distinguere i batteri che hanno assunto il plasmide da quelli che non l’hanno assunto (la trasformazione è un processo a resa piuttosto bassa), e per di più non riusciremmo a distinguere i batteri che hanno assunto il plasmide ricombinante da quelli che hanno assunto il plasmide senza il nostro gene (anche la ligazione non ha una resa del 100%, e alcuni plasmidi possono richiudersi su se stessi senza incorporare il gene). Come fare? Be, i ricercatori hanno risolto il problema molto elegantemente. Una delle cose più ammirevoli nella scienza è come gli scienziati riescano a trovare degli escamotage eleganti e raffinati per aggirare i problemi. Torniamo per un attimo a visionare la mappa del plasmide; vedete la frecciona indicata con ampicillin (Ampicillina in italiano)? L’Ampicillina è un antibiotico, quindi letale per i batteri; Bene, questo indica che nel plasmide è presente un gene (ampicillin, appunto) in grado di dare resistenza al batterio nei confronti di questo antibiotico. Questo gene viene detto marcatore di selezione, perché ci permette di distinguere i batteri che hanno assunto il plasmide, da quelli che non l’hanno fatto, perché i primi cresceranno anche i presenza dell’antibiotico, mentre i secondi no. Ok, benissimo, ma non basta; non possiamo ancora distinguere i batteri con il plasmide ricombinante da quelli con il plasmide originale (senza il gene). Qui il discorso si fa complesso, ma estremamente interessante. Ritorniamo a vedere la mappa del plasmide. Nel sito multiplo di clonaggio è indicato LacZ. Questo LacZ è un gene (uno dei responsabili della metabolizzazione del lattosio nei batteri) che codifica per un enzima, la B-galattosidasi. Se il plasmide ha ricombinato con il gene, quest’ultimo si è andato ad inserire nel bel mezzo del gene LacZ, inattivandolo (perché il gene, ricordiamolo, si inserisce all’interno del sito multiplo di clonaggio) Come facciamo però a verificare se questo è avvenuto o meno? Semplice, nel terreno di coltura dove i batteri vengono fatti crescere, oltre all’Ampicillina (in questo caso, ma esistono anche altri antibiotici verso i quali si può indurre una resistenza) aggiungiamo non il lattosio, bensì l’X-Gal. Questa molecola viene riconosciuta dalla B-galattosidasi e metabolizzata. Quando viene metabolizzato, l’X-Gal rilascia un gruppo cromogeno in grado di dare una colorazione blu. Quindi, ricapitoliamo: se il batterio cresce in presenza di antibiotico, vuol dire che ha assunto il plasmide. Se la colonia risultante sarà di colore Blu, vuol dire che il gene LacZ funziona ancora e che quindi il gene di interesse non è stato incorporato nel plasmide. Se invece cresce una colonia bianca, vuol dire che LacZ è stato inattivato dal gene di nostro interesse. Questo metodo viene detto selezione blu/bianco. Per essere precisi, oltre all’X-gal è necessario aggiungere ai batteri anche un’altra molecola, chiamata IPTG, in grado di favorire l’espressione del gene LacZ. Quindi, quando, dopo l’incubazione dei batteri (dopo la trasformazione), tiriamo fuori le piastre e diamo un’occhiata, potremo farci un’idea delle colonie ricombinanti da quelle non ricombinanti in base al loro colore, ricordo infatti che una colonia deriva da una singola cellula progenitrice, quindi siamo sicuri che tutte le cellule di una colonia sono uguali tra di loro.Questo è uno dei tanti metodi possibili. Probabilmente è il più famoso, o, se non lo fosse, è se non altro quello che ho usato in laboratorio, quindi quello che vi so spiegare con più sicurezza.Come dicevo, i plasmidi non sono gli unici vettori disponibili. Sono i più facili e più economici da usare, ma hanno lo “svantaggio” di avere una piccola capacità, nel senso che non sono stabili con inserti troppo grossi. Quindi, in caso volessimo clonare il genoma di un animale o di una pianta, risulterebbero un po’ scomodi. Ci sono altri vettori, più adatti a questo genere di esperimenti: i cosmidi, gli YAC e i BAC. Degni di nota sono anche i fagi, ovvero dei virus che possono essere usati come vettori. Forse mi occuperò di loro in prossimi post, oppure c’è sempre la mitica Wikipedia, anche se consiglio quella inglese.
Per curiosità, il laboratorio che ho fatto, prevedeva il clonaggio di un gene: l’angiopietina2 umana. Questo gene codifica per una proteina omonima che è stata associata (e da qui il nome) alla formazione di nuovi vasi sanguigni, pertanto estremamente importante nello sviluppo di alcuni tumori. Abbiamo usato come un ceppo di Escherichia coli come batteri. La mappa del plasmide utilizzato è quella che ho postato.

Come sempre, se avete domande, precisazioni, correzioni da fare, io sono qui! Ciaoooo!

 

Sherlock Holmes matematici: il profiling geografico.

Forse vi sarà capitato di intravedere (o di guardare con avido interesse) qualche episodio di serie poliziesche come Numb3rs (del quale credo che riparlerò ancora) o Law and Order nelle quali (in ogni puntata della prima e in qualcuna della seconda) si vedono mappe colorate appese alle pareti sulle quali vengono rappresentate con colori diversi le zone nelle quali ci sono diverse probabilità che risieda l’assassino.

La prima domanda che sorge spontanea è “si tratta di fantascienza? La risposta è semplicemente no.  Negli anni ‘80 l’agente canadese Kim Rossmo  che coltivava parallelamente al suo lavoro l’interesse per la matematica utilizzò le sue conoscenze in questa disciplina e le sue modellizzazioni come strumento di investigazione. Riesaminando vecchi casi di killer o stupratori seriali costruì una formula, detta appunto formula di Rossmo, che esaminerò in seguito,  la quale permette di associare, una volta inseriti i parametri del caso, ad ogni punto di una mappa la probabilità che tale punto sia una base (residenza, luogo di lavoro) del criminale (a patto chiaramente che si tratti di un criminale di tipo seriale). Qualche tempo dopo sfruttando tale formula Rossmo costruì un programma Rigel che costruiva le mappe del quale oggi il creatore di occupa, aggiornandolo e insegnandone il funzionamento.

La domanda sorge spontanea: funziona? Rossmo risolse con il metodo del profiling geografico qualche caso in Canada e divenne famosissimo per aver scoperto uno stupratore a Lafayette, in Lousiana, che per più di dieci anni aveva molestato molte donne della città.  Il caso, denominato South Side Rapist, creò molti problemi alla polizia locale che si rivolse a Rossmo che riuscì a circoscrivere la zona di residenza del malvivente, all’interno della quale venne prelevato il DNA di tutti gli uomini residenti (e dopo un primo buco nell’acqua anche agli ex-residenti) permettendo di identificare l’uomo.

Ci tengo a precisare che questo metodo funziona soltanto se adottato nei casi di killer seriali con una base fissa. Accadde infatti che si tentò di applicarlo al caso di un cecchino (si scoprì poi che erano due)  denominato Beltway Sniper che non aveva(no) una base fissa. Il risultato ovviamente fu un insuccesso.

Come mai? Su che cosa si basa il profiling geografico? Come suggerisce il nome, che ricorda il profiling psicologico, già utilizzato in criminologia, si tratta di definire quali aree urbane siano con più probabilità la sede del killer. Non si tratta pertanto di prevedere dove e come il criminale agirà , perchè questo è molto complicato: dipende da molte, troppe variabili, molte delle quali non sono note.  Kim Rossmo spiegò il funzionamento del suo metodo con un esempio (ripreso nella prima puntata della prima serie di Numb3rs) molto chiaro. Si immagini uno spruzzatore da giardino (di quelli che ruotano per esempio): è praticamente impossibile prevedere dove cadrà la prossima goccia perchè in gioco vi sono troppe variabili (velocità di rotazione dello spruzzatore, direzione e velocità del vento, eventuale presenza di ostacoli…). Tuttavia è possibile anche non vedendo la locazione dello spruzzatore data una serie di punti dove sono atterrate le gocce calcolarne la posizione. Il principio utilizzato è lo stesso con opportune variazioni: si tiene conto di alcune informazioni note dalla criminologia (ad esempio la tendenza dei seria killer a colpire vicino alla loro base, ma non troppo vicino salvaguardando una specia di zona franca) , del fatto che le sedi possono essere più di una e della naturale tendenza umana a creare schemi anche quando tenta di comportarsi in modo casuale.

Su quest’ultimo punto vorrei insistere particolarmente: sono stati fatti una serie di studi chiedendo a gruppi di volontari di scrivere numeri casuali su un foglio e parallelamente  ad altri volontari veniva chiesto di scegliere in numeri da scrivere tirando dei dadi. Ebbene nonostante gli sforzi dei primi si rivelò facilissimo distinguere gli elenchi veramente casuali. Questo perchè gli elenchi del primo gruppo non presentavano quasi mai la concentrazione di numeri vicini, cosa invece casualmente può accadere! Analogamente chiedendo a delle persone di disporsi in una stanza casualmente esse tenderanno a disporsi all’incirca tutti alla stessa distanza l’una dall’altra (non vale chiederlo dentro un’università di matematica).

Tutto questo è espresso dalla formula di Rossmo:

 

Formula di Rossmo

Si può osservare anzitutto che a sinistra dell’uguale troviamo la probabilità di un punto appartenente ad una mappa alle coordinate ij di essere una sede del killer (i e j si usano in generale in matematica come indici per rappresentare la riga e la colonna). A destra vi è una costante k moltiplicata per una sommatoria da 1 a c (che indica il numero dei casi noti): in altre parole si sommano tanti termini quanti sono i casi precedenti. Ogni termine è a sua volta composto da due termini: il primo presenta una distanza a denominatore elevata ad un f da noi scelto in base ai parametri del caso e a numeratore una funzione indicata con la lettera greca phi che rappresenta una funzione peso per dare più peso ad un termine (il primo o il secondo) o all’altro (il secondo o il primo rispettivamente). Questo termine rappresenta il decrescere della probabilità all’aumentare della distanza e può ricordare alcune leggi fisiche come la legge di gravitazione universale o la legge di Coulomb anche se in questo caso la potenza non è necessariamente f = 2. Il secondo termine può sembrare più strano: a denominatore si sottrae la distanza da una costante B (un altro parametro che va inserito a seconda del tipo di indagine) e a numeratore compare, sottratta però, di nuovo la funzione peso. Questo secondo termine rende conto della presenza della zona cuscinetto, le cui dimensioni sono rappresentate tramite il parametro B.

Si può osservare chiaramente quali siano le restrizioni legate all’utilizzo di questa formula e quanti parametri si debbano stimare per utilizzarla. Un discorso analogo si deve fare per il software Rigel. Tuttavia in molti casi si sono rivelati strumenti utili per aiutare le forze di polizia e piano piano stanno trovando anche altre applicazioni.

Per chi fosse interessato e volesse saperne di più posso consigliare di guardare la prima puntata di Numb3rs la cui vicenda è molto, ma molto simile a quella di Kim Rossmo, da cui è ispirata, e di fare una capatina su Numb3rs.Wolfram e su PopSci, oltre alla lettura di “Il matematico e il detective” di Keith Devlin e Gary Lorden. Consiglio inoltre di visitare il sito web del Center for Geospatial Intelligence and Investigation.