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Tastare il polso al depuratore.

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 6 luglio, 2024 - 11:18

Mauro Icardi

Per diventare un tecnico esperto di depurazione, a mio parere non solo è necessario avere una buona preparazione teorica di base. Ma occorre familiarizzare con l’impianto che si deve gestire, occorre conoscerlo in maniera approfondita. Sapere cogliere i segnali delle eventuali disfunzioni che possono verificarsi per i più svariati motivi. Nei testi tecnici dedicati alla gestione degli impianti di trattamento delle acque, si suggeriva di dotare gli impianti di depurazione  di un laboratorio dedicato. L’evoluzione normativa, che deve rispondere a limiti sempre più stringenti, e la necessità di confronto con gli enti di controllo nel caso di gestione del superamento dei limiti di legge, hanno inevitabilmente modificato la filosofia dei laboratori al servizio del  gestore degli impianti. Il primo requisito a cui ci si è dovuti allineare è quello dell’accreditamento dei laboratori, necessità per altro imposta dalle normative.

Ma tutto questo ha impedito una connessione indispensabile, ovvero quella del chimico, o del tecnico che si muove sul campo.

Nei miei primi anni di lavoro, quelli in cui affinavo la mia esperienza, ricordo che uscivo malvolentieri dal laboratorio. Dopo circa un paio d’anni ho capito che per comprendere più  fondo quello che accadeva in impianto, dovevo uscire dalla mia “torre d’avorio”, ed esercitarmi sul campo.

Non bastava avere letto libri di depurazione, e semplicemente saper distinguere le varie sezioni di impianto.  Bisognava andare di persona a parlare con chi gestiva per esempio il funzionamento delle macchine per disidratare il fango. Ho scoperto recentemente che questa è una spinta e una necessità condivisa.

Quasi al termine della mia carriera lavorativa; se non intervengono ulteriori innalzamenti dell’età pensionabile dovrebbero mancare poco più di due anni; nella mia nuova sede di lavoro ho la fortuna di  continuare ad interagire con ragazzi giovani, come ai tempi in cui ero responsabile degli stages scolastici.

Il laboratorio dove ora svolgo una mansione diversa (d’altronde come scrisse Primo Levi l’analista è mestiere per giovani), convergono i campioni di una settantina di impianti ubicati su tutto il territorio della provincia di Varese. Il laboratorio è attrezzato con diverse tipologie di strumentazione analitica di ultima generazione. Dalla gascromatografia, alla spettrometria di massa a plasma. Ma i ragazzi spesso manifestano il desiderio di visitare un depuratore.

 Per la semplice ragione che vogliono capire meglio l’origine dei dati analitici che riscontrano sui campioni analizzati. E’ un gioiello di laboratorio, ma non è ubicato in un depuratore. Quindi manca quel contatto diretto con chi si occupa della conduzione, che fornisce la capacità di comprendere più a fondo come il processo di depurazione, nelle sue diverse fasi stia funzionando ( o in qualche caso magari non funzionando).

Ricordo che nei miei anni da chimico militante (altra citazione di Levi), avevo manifestato la speranza e il desiderio che l’azienda decidesse di dotarsi di un camper, o un furgone nel quale installare un laboratorio viaggiante. Per poter determinare anche parametri semplici, e per qualcuno magari banali, ma che potessero immediatamente dare indicazioni su come modificare i parametri di gestione. Insomma una chimica modesta semovente.

Primo Levi e la Fantascienza

Io devo alla mia esperienza sul campo una formazione alla quale sono molto legato. Ovvio che i tempi cambiano, e le necessità anche. Ma in questa nuova sede ho ritrovato una collega con la quale ho condiviso i primi anni di lavoro, e che ha una formazione come la mia. E ogni tanto ci troviamo a ricordare quei nostri tempi. Non eroici, ma formativi. Quando il chimico era un centauro (ennesima citazione da Levi). Ovvero alla mattina per prima cosa faceva il giro sull’impianto, prelevava i campioni, verificava se riscontrava anomalie evidenti, oppure subdole. Capiva dove e perché si stava verificando un trascinamento di fango, oppure notava l’arrivo di uno scarico anomalo in ingresso. Non credo che quei tempi, e quel modo di interpretare il ruolo dell’addetto al laboratorio possono mai ricrearsi. Sono convinto che sia una naturale evoluzione del ruolo di addetto al laboratorio del ciclo idrico. Ma analogamente alla nostalgia e al rimpianto dell’abbandono dell’analisi semimicroqualitativa, anche l’idea che il chimico non possa più uscire dal laboratorio mi provoca una sensazione strana. In ogni caso non è casuale che io mi sia sempre definito tecnico del ciclo idrico. Era una visione più ampia, che non solo non rinnegava le nozioni di chimica, ma al contrario le fortificava e le irrobustiva. Tastare il polso all’impianto ogni mattina era una condizione che soddisfaceva la mia inesausta curiosità. E che sono davvero orgoglioso di aver potuto praticare.

O forse sono solo le riflessioni un po’ bislacche di un chimico anziano.

Sicurezza alimentare per proteggere la salute.

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 2 luglio, 2024 - 15:02

Luigi Campanella, già Presidente SCI

La sicurezza alimentare è uno degli strumenti per proteggere la salute dei cittadini. Il consumo di alimenti inquinati da residui di composti tossici può rappresentare un grave rischio per il cittadino. Fra le categorie di composti che maggiormente possono mettere in pericolo la salute certamente i metalli pesanti occupano un posto significativo, essendo in molti casi tossici finanche al livello di tracce, per la loro capacità di interagire con azoto, zolfo ed ossigeno delle biomolecole, a partire dalle proteine. I metalli pesanti sono largamente definiti come i metalli con densità maggiore di 5 g/cc.

Fra questi, quelli tossici più comuni sono il mercurio, il cadmio,, il piombo il cromo, lo zinco. Da quanto ora detto si comprende quanto importante sia disporre di metodi analitici per la determinazione di questi metalli in matrici alimentari.

La storia della chimica analitica illustra come a questo tema siano state dedicate nel tempo tecniche sempre più sofisticate a partire da quelle più tradizionali per arrivare alle strumentali del nostro tempo Gas-Massa, Plasma-Massa, Assorbimento atomico. Queste tecniche sono sensibili, selettive, ma complesse sul piano della strumentazione e delle professionalità degli operatori richiesti ed inoltre non sono adatte per screening rapidi di controllo e in situ.

Per questo motivo rispetto a queste esigenze si sono sviluppati metodi elettrochimici, colorimetrici, fluorimetrici con le relative continue innovazioni. Queste, nel caso dei metodi elettrochimici hanno riguardato soprattutto la modifica degli elettrodi di lavoro responsabili con contro-elettrodo e riferimento del segnale indicatore della presenza e concentrazione del metallo considerato.

Sono stati così prodotti elettrodi costituiti da nanomateriali metallo-organici super-porosi a grande sviluppo superficiale, capaci di assorbire gli ioni metallici e di produrre segnali di corrente e potenziale molto intensi.

Un’altra opportunità è fornita dagli imidazolati zeolitici basati su zeoliti modificate e dai carburi dei metalli di transizione.

La colorimetria basata su nanoparticelle metalliche come indicatori utilizza la capacità di alcuni ioni di metalli pesanti di cambiare la struttura delle nanoparticelle e di conseguenza di produrre variazioni di colore.

Figura 1 . (A) Diagramma schematico di un sensore elettrochimico, riprodotto con il permesso di ( Amali et al., 2021 ). (B) Diagramma schematico del rilevamento BCN-Nafion/GCE di Cd(II) e Pb(II) in campioni alimentari, riprodotto con il permesso di ( Huang et al., 2023 ). (C) Rappresentazione schematica del rilevamento colorimetrico di ioni di metalli pesanti utilizzando AuNP, riprodotta con il permesso di ( Guo et al., 2014 ). (D) Schema di rilevamento colorimetrico degli ioni Fe(III) utilizzando MSA-AuNP, riprodotto con il permesso di ( Komova et al., 2021 )

Altra possibilità è offerta dai nano enzimi, una classe di nanomateriali con funzioni biocatalitiche capaci, in presenza di specifici metalli, di produrre variazioni di colore dovute alla catalisi di processi idrolitici a carico di complessi fenol-fosfatici.

Anche la fluorimetria ha trovato applicazione nell’analisi di metalli tossici in matrici alimentari. Il principio è la misura di variazioni di fluorescenza a seguito di interazione con metalli pesanti di sonde fluorescenti delle quali esistono varie categorie: semiconduttori, nanomateriali di carbonio, nanoparticelle metalliche.

Figura 2 . (A) Il processo di preparazione degli N-CD e il diagramma schematico del rilevamento di Cd(II) e Hg(II) nei campioni alimentari da parte degli N-CD, riprodotto con il permesso di ( Tan et al., 2022 ). (B) Illustrazione del meccanismo dei CD per il rilevamento dello ione zinco, riprodotta con il permesso di ( Lu et al., 2023 ).

I successi conseguiti con questi 3 approcci non devono pero fare considerare come risolto il problema analitico che resta abbondantemente aperto rispetto a:

-necessità di metodi più sensibili rispetto ai valori minimi finora raggiunti 10 nanog/L in grado di rispondere agli allarmi sempre più stringenti della medicina circa la tossicità di alcuni composti metallici

-la possibilità di estendere le applicazioni a matrici alimentari più complesse

-la possibilità con un’analisi di ottenere contemporanee informazioni su più metalli insieme

-attraverso l’intelligenza artificiale ed algoritmi arrivare a metodi di screening automatizzati

Fonte

Research progress in the detection of trace heavy metal ions in food samples

Linxing Si, Qian Wu, Yulong Jin,* and Zhuo Wang  Front Chem. 2024; 12: 1423666.

doi: 10.3389/fchem.2024.1423666  PMCID: PMC11168114  PMID: 38867762

Prodotti di ieri e di oggi. 4. Calcibronat.

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 28 giugno, 2024 - 09:03

Claudio Della Volpe

I precedenti post di questa serie sono qui, qui e qui.

Riprendo dopo parecchio tempo un argomento che ebbe successo anni fa, ossia l’analisi di farmaci che esistevano decenni fa e sono rimasti in commercio con il medesimo nome, ma con qualche cambiamento. Mi ero fermato senza un motivo particolare, a parte la difficoltà nel reperire le informazioni sui vecchi farmaci. Ma vedendo che quei post riscuotono ancora oggi un notevole interesse di lettura mi sono convinto a ricominciare.

Stavolta parliamo di un farmaco che esiste ancora adesso e quasi con la medesima composizione; e vedremo poi il senso del quasi.

Il Calcibronat era il farmaco per i bambini troppo attivi ed agitati, i “pierini” diciamo così; io ero un pierino, e la risposta è stata nel tempo il Calcibronat poi evolutosi in Periactin, ciproeptadina, un antiallergico MSD usato fuori indicazione come “sciroppo per l’appetito” (oggi si direbbe off-label, potenza della pubblicità)!

Qui sotto in ordine di tempo, dal passato al presente, alcune immagini di confezioni; dagli anni 30 del 900 in poi; si nota subito una cosa, si passa dal granulato alle compresse; questo perché nel tempo si è capito che nonostante come vedremo, il bromo sia un oligoelemento per l’uomo, esagerare ha le sue conseguenze.

https://it.todocoleccion.net/casse-metalliche-antiche/calcibronat-sandoz~x207765413

https://www.alamy.it/vintage-1950s-calcibronat-sandoz-medicinale-per-la-sedazione-del-sistema-nervoso-centrale-e-periferico-antiallergico-sandoz-s-p-a-milano-italia-image461186150.html

Si trattava e si tratta ancora oggi di compresse effervescenti che si trovano in Italia in confezioni da 3g l’una mentre all’estero si trovano compresse da 2g; questa cosa mi ha colpito subito perché poi l’indicazione posologica nei bambini e negli adulti è sempre la medesima da mezza a due compresse al dì. E la medesima indicazione posologica era in auge ai miei tempi come si vede dalle confezioni.

La casa produttrice era un marchio conosciuto ed importante, Sandoz, fondata in Svizzera a fine 800, famosa per anni (vendette per prima l’LSD di Hoffmann con il nome di Delysid) e diventata nel tempo il marchio dedicato ai farmaci generici della Novartis; dal settembre 2023 è ridiventato un marchio autonomo sul mercato mondiale.

Ancora più mi ha colpito che mentre fino al 1975 un prodotto analogo, chiamato Bromo-Seltzer era in vendita negli USA, ma con diversa composizione (conteneva anche acetanilide), indicazione (mal di testa e di stomaco) e dosaggio (cento volte meno bromuri!)  (si veda qui), al momento i bromuri non hanno indicazioni terapeutiche analoghe, la FDA li ha esclusi dall’uso e dunque prodotti come il nostro non sono in vendita negli USA. Il Bromo-Seltzer ha cambiato completamente composizione perché sia l’acetanilide che il bromuro sono stati esclusi dalla FDA. All’acetanilide avevamo accennato nel caso del Saridon, ed ha certamente avuto senso eliminarla in quanto si è visto che agisce tramite il suo principale metabolita, il paracetamolo, ossia la tachipirina che però non ne mantiene, per fortuna, gli effetti negativi.

Come era ed è fatto il Calcibronat?

I componenti essenziali erano bromuro di calcio e lattobionato di calcio e le quantità relative sono indicate in foto; stiamo parlando di 0.23g di calcio e 0.45 di bromo per ogni compressa da 3g, mentre nelle compresse da due grammi le quantità sono ridotte in proporzione (0.15g di calcio e 0.30g di bromo).

Questo ci fa facilmente calcolare i totali; per ogni grammo abbiamo 0.075g di calcio e 0.15 di bromo.

1.875 mmoli di calcio e 1.875mmoli di bromo; dato che il calcio fa due cariche positive e il bromuro una negativa ne segue che servono ancora 1.875mmoli di lattobionato che è anch’esso dotato di una sola carica negativa, (come si evince dall’immagine qui sotto) per la completa neutralizzazione. L’acido lattobionico pesa 358 g/mol ca e dunque otteniamo 0.67g di lattobionato. Per gli eccipienti rimangono dunque 0.2g  o 0.3g ca a seconda se parliamo di compresse da due o da tre grammi.

Acido lattobionico.

Gli eccipienti sono costituiti da sodio bicarbonato, acido citrico anidro, saccarosio, glicole polietilenico 4000; questo nelle compresse moderne; non so quale sostanza giocasse il ruolo del glicole polietilenico in quelle più antiche, forse nessuna. Di solito il PEG serve da plasticizzante nei film protettivi, che però non ci sono in questa compressa. Dopo averci pensato credo che, essendo a basso peso molecolare (4000 uma), probabilmente serva come lubrificante nel processo di formazione della compressa. D’altronde si usa comunemente con analogo ruolo nei casi di costipazione umana.

Bicarbonato e acido citrico servono a produrre l’effervescenza, il saccarosio addolcisce il sapore della compressa.

Ha senso a questo punto anche una nota sulla differenza fra lattobionato e il più comune lattato gluconato, per evitare confusioni; il secondo è costituito dal gluconato (la base corrispondente all’acido gluconico indicato qui sotto), che è un pezzo del lattobionato, ma accompagnato dal lattato, la base corrispondente dell’acido lattico, una piccola molecola a soli tre atomi di carbonio e sempre una sola carica negativa.

Acido gluconico e acido lattico.

Questo aiuta a capire le differenze fra queste due sostanze usate molto spesso in farmaceutica e che possono essere confuse.

Ma affrontiamo ora il problema principale; a che serve il bromuro, quanto ce n’è nell’organismo umano? Come mai si usa in Europa e non in USA?

Pubchem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/259) ci informa che

In natura, il bromo è più abbondante come ione bromuro. Fisiologicamente, esiste come ione nell’organismo. …….. I composti di bromuro, in particolare il bromuro di potassio, sono stati spesso utilizzati come sedativi nel XIX e all’inizio del XX secolo. Il loro uso nei sedativi da banco e nei rimedi per il mal di testa (come il Bromo-Seltzer) negli Stati Uniti è durato fino al 1975, quando i bromuri sono stati ritirati come ingredienti, a causa della loro tossicità cronica. Il bromuro è presente nella tipica acqua di mare (35 PSU) con una concentrazione di circa 65 mg/L, pari a circa lo 0,2% di tutti i sali disciolti. Il bromuro è necessario agli eosinofili (globuli bianchi della classe dei granulociti, specializzati nell’affrontare i parassiti pluricellulari), che lo utilizzano per generare composti bromanti antiparassitari come l’ipobromito, per azione della perossidasi degli eosinofili, un enzima aloperossidasi che è in grado di utilizzare il cloruro, ma utilizza preferibilmente il bromuro quando disponibile.

D’altra parte Wikipedia ci informa a sua volta che

In un rapporto specializzato, il bromuro è un cofattore essenziale nella catalisi perossidica dei legami crociati di solfonimina nel collagene IV. Questa modificazione post-traslazionale avviene in tutti gli animali e il bromo è un oligoelemento essenziale per l’uomo.[20]

…….La concentrazione media di bromuro nel sangue umano nel Queensland, in Australia, è di 5,3±1,4 mg/L e varia a seconda dell’età e del sesso.[22] Livelli molto più elevati possono indicare l’esposizione a sostanze chimiche bromurate. Si trova anche nei frutti di mare.

Se mettiamo insieme tutti questi aspetti del ruolo del bromo e il numero di organismi coinvolti (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4144415/) concludiamo che il bromo è un cofattore essenziale per la nostra vita, un oligoelemento; ma quanto ce n’è nel nostro corpo? Una risposta parziale è data dal lavoro già citato poco prima da wikipedia (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9602940/)

Mentre una analoga risposta troviamo in giro

Bromine

4mg/kg nel corpo umano e nel sangue 2-3 mg/L; dunque in un ragazzino di 30-40 kg ce ne sono fra 100 e 200mg.

E “quanto” invece diventa tossico?

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10105371/

Se aggiungiamo che l’emivita dei bromuri nel corpo umano è di 12 gg, rendendo più complesso il raggiungimento di un dosaggio sicuro, ci rimane una domanda; ma come è possibile che si somministrino senza grossi problemi (io ne sono una prova vivente) dosi corrispondenti a varie volte il contenuto corporeo TOTALE di bromo ai bambini italiani o europei senza effetti negativi (o almeno non comunemente riscontrati)?

Fra l’altro il bromo non mi ha calmato, né cambiato e tutto sommato manco intossicato.

Visto che non ne abbiamo ancora parlato vediamo perché alla fine si somministrano i bromuri e se ne somministrano tanti da averli fatti entrare nel linguaggio comune: quante volte avete sentito dire da qualcuno a qualcun altro troppo eccitato “e pigliati un po’ di bromuro”; io l’ho sentito anche nel mio dialetto (sono di Napoli) quando facevo il militare; girava voce che ce ne somministrassero nell’acqua potabile distribuita per calmare i bollenti spiriti sessuali dei più giovani.

Ma era vero? Mi rimarrà sempre il dubbio.

Gli effetti sul sistema nervoso centrale dei bromuri sono stati usati spesso in passato; i bromuri sono stati usati come antiepilettici, ma anche come calmanti e in genere nelle convulsioni refrattarie nei bambini.

Il meccanismo di base di questi effetti sembra il seguente:

Questi effetti sono mediati principalmente attraverso l’attivazione del recettore GABAA. Questi recettori sono canali ionotropici che, una volta attivati, aumentano la permeazione del cloruro e provocano l’iperpolarizzazione dei neuroni.

Si vedano per esempio, Ban TA. The role of serendipity in drug discovery. Dialogues Clin Neurosci. 2006;8(3):335–344

Tan JS, Lin F, Tanouye MA. Potassium bromide, an anticonvulsant, is effective at alleviating seizures in the Drosophila bang-sensitive mutant bang senseless. Brain Res. 2004;1020(1-2):45–52.

In sostanza come abbiamo già detto altrove le basi ioniche del potenziale d’azione si basano sulla permeabilità selettiva del Na+ (sodio) e K+ (potassio), che durante il potenziale d’azione viene stravolta. Quando inizia il potenziale d’azione si aprono i canali del sodio, iniziando la depolarizzazione. Tali canali sono chiamati canali del sodio voltaggio dipendenti. Quando si raggiunge l’apice della depolarizzazione (+40mV) il Na+ smette di entrare e si aprono i canali per il K+, con la fuoriuscita dello stesso. Il K esce quindi in massa fino a iperpolarizzare la cellula, portando il potenziale di membrana ad un livello inferiore al livello di riposo. Quando si raggiunge la iperpolarizzazione si chiudono i canali del K+ e l’equilibrio viene ristabilito dalla pompa Na-K. Si entra nel cosiddetto periodo refrattario; i bromuri ci fanno raggiungere questa fase velocemente come mostrato in figura, obbligandoci e recuperare lo stato di equilibrio per ripartire: https://www.osteolab.net/potenziale-dazione/

L’ultima nota di questo articolo è che ho trovato in giro un Calcibronat Neo, uno sciroppo con una composizione del tutto diversa, prodotto da una piccola casa farmaceutica; un integratore alimentare a base di aglio. E questa scelta non posso proprio comprenderla.

Voi che ne dite? Che esperienza avete con i bromuri?

Recensione. Radici siciliane-La corda ingenua di sei grandi personaggi fra storia ed immaginazione

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 25 giugno, 2024 - 10:48

Luigi Campanella, già Presidente SCI

copertina 9791254744369 Radici siciliane Radici siciliane-La corda ingenua di sei grandi personaggi fra storia ed immaginazione”, Ed. La Bussola, pag. 252 euro 12

Per essere siciliani bisogna essere diversi – asseriva Vitaliano Brancati ed ancora Johann Wolfgang von Goethe, vissuto a cavallo tra il XVIII e il XIX secolo, «uno dei più grandi letterati tedeschi e l’ultimo uomo universale», nel suo Viaggio in Italia (1816-1817) scrisse che «L’Italia, senza la Sicilia, non lascia nello spirito immagine alcuna.

È in Sicilia che si trova la chiave della diversità che l’autore Francesco Giuliano descrive in “Radici siciliane-La corda ingenua di sei grandi personaggi fra storia ed immaginazione”,Ed.La Bussola trattando i fatti più significativi di sei grandi siciliani Empedocle, Gorgia, Archimede, Diodoro Siculo, S. Cannizzaro, E. Majorana, vissuti fra il V Secolo a.C. ed il  XX secolo.

I personaggi così diversi fra loro consentono un intreccio invisibile, ma percepibile, ben articolato di storia, filosofia, scienza, umanesimo, sostanzialmente cultura e quindi come tale superiore all’informazione ed alla conoscenza acritica. Il testo è rivolto soprattutto al grande pubblico per la semplicità del linguaggio adoperato, e per lo stile, un intelligente mescolamento di astrazione e concretezza, di narrazione e realtà, di poesia e prosa, di scienza e umanesimo sostanzialmente cultura, ben oltre le semplici informazioni e conoscenze acritiche. Fa piacere, di certo a me che sono un chimico, che a scrivere questo testo sia stato un chimico: una disciplina scientifica è la chimica che ha più volte ed in più differenti occasioni dimostrato di essere un ponte culturale.

E Francesco è un chimico da sempre fautore della cultura unificata

Francesco Giuliano, già docente di Chimica e Tecnologie Chimiche negli istituti statali, Supervisore di tirocinio e docente a contratto di Didattica della chimica presso la SSIS dell’Università RomaTre, cogliendo i “difetti” della scuola italiana, si fa fautore della Terza cultura, movimento internazionale che tende ad unificare la cultura umanistica con quella scientifica. È autore di diversi romanzi:

https://www.news-24.it/author/francesco-giuliano/

Francesco Giuliano

Altri libri dello stesso autore:

 Un  “imbuto molecolare” per concentrare l’ammoniaca marina.

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 22 giugno, 2024 - 16:51

Alessandro Maria Morelli

Il tema dell’organicazione dell’azoto ha ricevuto un interessantissimo  apporto  dall’articolo ”Membraneless channels sieve cations in ammonia-oxidizing marine archaea“ pubblicato da Nature il 29 maggio 2024 (https://doi.org/10.1038/s41586-024-07462-5 ). Un insieme di centri di ricerca  operanti in Cambridge, Oxford, Columbia (USA), Tubingen, Warwick, Coventry, hanno risolto  con la modernissima criotomografia elettronica la struttura del batterio archea marino Nitrosopumilus maritimus e sorprendentemente hanno accertato che lo strato esterno (S-layer) è occupato interamente  da  strutture sopramolecolari  composte da esameri di una  proteina formata da più di 1700 amminoacidi. Sei filamenti di tale proteina si avvolgono su se stessi a formare una specie di “imbuto molecolare” e tali filamenti funzionano da guida per il catione ammonio che viene convogliato al centro effettuando così una concentrazione di tale catione. Quindi lo ione ammonio passa l’S-layer e viene ossidato a nitrito e nitrato dal batterio, portando a termine il processo di organicazione marina dell’azoto. 

In alto è rappresentata la superficie del batterio, totalmente occupata dall’esamero.  Al centro è riportata la struttura ripiegata  del  filamento della proteina NmSLP e in basso la struttura formata da sei filamenti  NmSLP  avvolti  a formare la struttura esamerica. La proteina forma otto domini D ricchi in amminoacidi acidi Glutammico e  Aspartico che formano una guida per lo ione ammonio convogliandolo al centro.

La cattura dello ione ammonio in mare è questione assai problematica vista la sua estrema diluizione. Infatti il mare contiene lo ione ammonio ad una concentrazione ~50 nanoMolare e se si pensa che un altro componente  presente nel mare, l’anidride carbonica, è presente ad una concentrazione ~10 milliMolare (cioè 200.000 volte più concentrato) si può comprendere la difficoltà per gli organismi marini di catturare lo ione ammonio. Ma questo batterio archea può godere di tutta la nostra ammirazione per un progetto che la Natura ha realizzato in tempi antichissimi per   lo sviluppo della vita, ovvero il trasferimento dell’azoto dall’atmosfera agli organismi viventi che dall’azoto dipendono assolutamente in quanto sia le proteine che gli acidi nucleici lo contengono.

Ma questa stupefacente scoperta risolve il problema della conoscenza delle modalità di organicazione marina dell’azoto? No, perché appare in tutta chiarezza che manca un anello cruciale, cioè il passaggio da azoto gassoso ad ammoniaca. E qui compaiono come agenti  determinanti i cianobatteri che sono già stati descritti dal recente post sul nitroplasto. Infatti i cianobatteri sono versatili perché possono formare eterocisti deputate alla conversione dell’azoto in ammoniaca, avvalendosi dell’enzima nitrogenasi che l’eterocisti sintetizza e che catalizza una dispendiosa reazione sotto il profilo energetico perché per trasformare una molecola biatomica di azoto in 2 molecole di ammoniaca, la nitrogenasi necessita di ben 16 molecole di ATP. Questo apporto non risulta ancora chiarito, perché l’ATP è formato in quantità rilevante solo dal metabolismo aerobico, e questo nell’eterocista non può esistere perché l’eterocista si circonda di uno strato impermeabile all’ossigeno che inattiverebbe la nitrogenasi stessa. Ma dal recente post sul nitroplasto veniamo a sapere che i cianobatteri endosimbionti nell’alga unicellulare Braarudosphaera bigelowii conferiscono a quest’ultima la capacità di fissare l’azoto atmosferico. Quindi due strutture derivanti da batteri primitivi contribuiscono alla fissazione dell’azoto in mare.

Ancora una curiosità: la reazione catalizzata dalla nitrogenasi sviluppa anche 1 molecola di idrogeno biatomica. Il destino di questo idrogeno non ci è conosciuto, ma la nostra attenzione è attratta dal fatto che stechiometricamente l’idrogeno  è solo la metà dell’ammoniaca prodotta dell’eterocisti cianobatterica. Ai giorni nostri in cui l’umanità è alla ricerca affannosa di combustibili alternativi a quelli fossili forse sarà il caso che ci si interessi a questo idrogeno che apparentemente viene disperso.

Ma i misteri sull’organicazione dell’azoto continuano: infatti nei minerali l’azoto non è presente, e i soli minerali noti hanno composti azotati che provengono dal guano, come il salnitro del Cile, cioè sono di origine biologica. Pertanto lo sviluppo della vita sulla terra dipendeva in forma cruciale dall’utilizzo dei due gas Ossigeno e Azoto. L’ossigeno, che era assente nell’atmosfera primordiale, è potuto accumularsi nell’atmosfera grazie alla fotosintesi che lo produceva come materiale di scarto. Quindi l’ossigeno è passato da composti presenti sul suolo nell’atmosfera per processi biologici. Per l’azoto è accaduto l’inverso: dall’atmosfera è passato negli organismi viventi ed è un processo assolutamente critico visto che l’azoto è un gas inerte.

Possiamo quindi considerare che minerali contenenti azoto sono indice di sviluppo di vita. Stupefacente che alcune meteoriti , come la Allan Hills 84001 proveniente da Marte ( https://www.media.inaf.it/2020/05/04/meteorite-allan-hills-marte/ ) contengono nitrati e questo ci fornisce una affascinante quanto misteriosa  indicazione sulla possibile esistenza di forme di vita su altri pianeti.

Insomma i misteri legati all’organicazione dell’azoto continuano a stupirci e a interrogarci!

Nella realtà tutto è connesso 

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 19 giugno, 2024 - 10:48

Vincenzo Balzani

già pubblicato su Bo7 del 16 giugno

Nell’età moderna, la nascita e lo sviluppo della scienza avevano diffuso l’idea che il progresso fosse lineare e irreversibile e che la complessità fosse una apparenza superficiale del reale, non ancora compreso nelle sue leggi.

L’emergere di scienze come la chimica, la biologia, l’ecologia e la climatologia ha messo in crisi il valore universale di quei princìpi (ordine, causalità lineare, determinismo, prevedibilità) che avevano caratterizzato il progresso iniziale della ricerca scientifica. La successiva riflessione filosofica ed epistemologica ha portato allo sviluppo di un nuovo pensiero, il pensiero complesso, che insegna a distinguere e connettere le relazioni tra le parti e tra il tutto e le parti, pur senza riuscire, spesso, a darne una spiegazione scientifica esauriente.

Di fronte a un qualcosa difficile da capire c’è sempre la tentazione di semplificarlo per renderlo più comprensibile e prevedibile e, quindi, dominabile. La semplificazione è la via giusta per cercare di capire fenomeni complicati ad esempio nel campo della Fisica classica, dove in un sistema ogni entità mantiene le proprie caratteristiche. Ma per i sistemi complessi (dal latino cum plectere, intrecciare insieme) non è cosi.  Nel partecipare allo stesso fenomeno, diverse entità concrete o astratte, materiali o spirituali possono entrare in relazione, influenzandosi e modificandosi a vicenda.

dal sito http://www.antropia.it/il-mondo-e-la-complessita-parte-4/

Gli eventi complessi hanno dinamiche evolutive non lineari, capaci di auto-organizzarsi e caratterizzati da proprietà emergenti. In sistemi di questo genere la semplificazione non ha senso perché ignora l’intervento di energie esterne e le loro conseguenze.

Uno stormo di uccelli in movimento, un classico sistema complesso.

Complesso è tutto quanto accade nel mondo reale: i fenomeni naturali osservabili (ad esempio, il clima), le nostre attività quotidiane e anche i nostri pensieri che non sono generati da una singola entità o da una singola causa, ma dalla compartecipazione di entità e cause diverse. Nel mondo reale tutto è complesso perché tutto è connesso, con circolarità di cause ed effetti.  I sistemi complessi non sono riducibili né semplificabili, spesso non sono prevedibili e non sono misurabili.

L’imprevedibilità di un fenomeno è in contrasto con la nostra civiltà della razionalità e del controllo totale, che crede di poter semplificare tutto e persino di poter eliminare l’errore e l’imprevedibilità dalle nostre vite.  In realtà, le scoperte scientifiche di questi ultimi decenni ci hanno fatto entrare nel tempo della massima imprevedibilità, incertezza e obsolescenza dei saperi e delle competenze, anche riguardo problemi esistenziali. La realtà dell’uomo, i suoi pensieri, il suo comportamento sociale, le sue decisioni e le sue azioni non sono semplificabili, misurabili, prevedibili. Tutto questo richiede un superamento della separazione dei saperi e quindi un ripensamento delle epistemologie e delle metodologie che caratterizzano l’insegnamento, l’educazione, la formazione, e la ricerca scientifica.

Grandi scoperte sotto silenzio: il caso del nitroplasto.

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 15 giugno, 2024 - 13:01

Claudio Della Volpe

Ci sono due effetti collaterali della enorme produzione scientifica attuale; la prima, la più visibile e anche discussa è che la quantità di scienza “normale”, che conferma il passato, che chiarisce ciò che già sappiamo diventa dominante; qualcuno su questa base si spinge addirittura a considerare che la scienza è finita, che abbiamo già capito tutto, che non ci resta che riempire i buchi, perché le grandi scoperte sono finite; saremmo perfino arrivati ai limiti del cervello umano.

Personalmente sono in totale disaccordo con questa visione. Ma non entrerò in questa polemica, e vi parlerò del secondo fenomeno che pure avviene.

La enorme quantità di scoperte e pubblicazioni tende a nascondere, a mascherare a diluire nel continuo affastellarsi degli annunci le grandi scoperte che pure si verificano e che mettono in crisi qualunque teoria sulla “fine della scienza”; meno di due mesi fa si è verificata una di queste grandi scoperte in un campo importante e che potrebbe avere anche ricadute sia scientifiche che tecnologiche inaspettate.

Sto parlando della scoperta dell’esistenza di un quarto endosimbionte che è divenuto organello cellulare.

Gli endosimbionti, cioè specie che vivono in rapporto vantaggioso con altre specie nelle loro cellule, sono relativamente comuni; un esempio importante sono quei batteri azotofissatori che vivono nelle radici delle leguminose aiutandole a fissare l’azoto atmosferico; od anche quei batteri che vivono in alcune delle cellule degli scarafaggi aiutandoli a digerire quasi qualunque cosa.

Ma solo in tre casi conosciuti finora tali fenomeni endosimbiotici erano arrivati fino alla fusione integrale con l’ospite: a) i mitocondri delle cellule eucariote (le nostre) che pur continuando ad avere un proprio DNA sono considerati comunemente la centrale energetica della cellula stessa(sia pure con qualche discussione sul meccanismo dettagliato, come ha fatto a volte su queste pagine il collega Alessandro Morelli);2) i cloroplasti delle piante originariamente cianobatteri che sono diventati gli strumenti delle piante per fornire energia a tutta la biosfera, tramite la fotosintesi clorofilliana; 3) circa 60 milioni di anni fa il caso del cromatoforo, un organello fotosintetico presente però solo nell’ameboide Paulinella.

Come si vede in ogni caso si tratta di fenomeni importanti che almeno in due casi han cambiato tutta la vita della Terra; e con la loro essenza, basata sulla collaborazione, mettono in crisi la vulgata della descrizione di una evoluzione basata SOLO sulla concorrenza fra organismi; in realtà questa visione concorrenziale che deforma la originaria visione di Darwin è più che altro un adattamento al mercato e all’ideologia capitalistica delle scoperte della biologia evoluzionista.

Oggi possiamo dire con certezza che grandi rivoluzioni evoluzioniste sono basate sulla collaborazione oltre che sulla concorrenza.

Ma vi ho tenuto sul filo senza rivelarvi ancora il caso specifico. Si tratta del ciano batterio Ucyn-A (Atelocyanobacterium thalassa) che è diventato organello dell’alga unicellulare Braarudosphaera bigelowii, con il ruolo specifico di (udite, udite) assimilare l’azoto atmosferico!

 Braarudosphaera bigelowii

Abbiamo dunque una specie in cui per la prima volta si scopre un organello che funziona nei confronti dell’azoto atmosferico, come il cloroplasto funziona nei confronti della luce: abbiamo dunque un nitroplasto. Un organello che rende la specie che lo possiede capace di assimilare direttamente l’azoto. Attenti alla differenza: nelle leguminose l’endosimbiosi si è fermata a livello di batteri esterni alla pianta stessa, che vivono in simbiosi con le radici ma che non sono parte INTEGRANTE della pianta stessa, che non si riproducono con essa; qua invece abbiamo a che fare proprio con un caso di endosimbionte trasformato in organello.

La scoperta è stata pubblicata su Cell e su Science e ripresa dai principali giornali scientifici del mondo. Nello studio pubblicato su Cell per primo si è dimostrato il collegamento tra il metabolismo dell’ospite e quello dell’endosimbionte, mentre nell’ articolo di Science si è anche dimostrato che la struttura simile ad un organello si basa sulle proteine dell’ospite.

Gli scopritori sono i membri del gruppo diretto da Jonathan Zehr e T.H. Coale dell’UC Santa Cruz (UCSC) fra cui numerose donne, Caroline Larabell e  Valentina Laoconte, che hanno contribuito al secondo lavoro con la tecnica SXT(tomografia a raggi X morbidi) oltre a Esther Mak e Kendra Turk-Kubo.

Scrive la pagina del Berkeley Lab:

Nel 1998, Jonathan Zehr, un illustre professore di scienze marine della UC Santa Cruz, ha trovato una breve sequenza di DNA che sembrava essere da uno sconosciuto cianobatterio che fissa l’azoto nell’acqua di mare dell’Oceano Pacifico. Zehr e colleghi hanno soprannominato l’organismo misterioso UCYN-A.

Per anni, gli scienziati hanno considerato UCYN-A un endosimbionte, un organismo separato che vive simbioticamente all’interno di un organismo più grande. Ma Zehr e colleghi hanno recentemente dimostrato che il rapporto di dimensioni tra UCYN-A e i loro ospiti algali è simile in diverse specie delle alghe marine Braarudosphaera bigelowii. I ricercatori hanno utilizzato un modello per dimostrare che il metabolismo della cellula ospite e dell’UCYN-A sono collegati, controllati dallo scambio di sostanze nutritive. Questa sincronizzazione dei tassi di crescita ha portato i ricercatori a chiamare UCYN-A “likeorganelle”. Ma per chiamare con sicurezza UCYN-A un organello, i ricercatori avevano bisogno di ulteriori linee di prova.

In questo ultimo lavoro, il gruppo ha dimostrato che UCYN-A si basa sulle proteine dalle sue cellule algali ospiti per funzionare e che la sua replicazione e divisione è strettamente accoppiata con quella della cellula ospite, due criteri chiave che definiscono un organello.

Prove topografiche e proteomiche

All’ALS Beamline 2.1, i ricercatori hanno utilizzato la tomografia a raggi X morbida (SXT) per visualizzare rapidamente i componenti interni delle cellule B. bigelowii nel corso del ciclo di vita del sistema, fornendo informazioni quantitative sulla densità e composizione dell’organello. I dati hanno rivelato uno stretto coordinamento tra la replicazione e la divisione di UCYN-A e altri organelli B. bigelowii, che implica il controllo sulla divisione UCYN-A da parte del suo ospite, assicurando che il nitroplasto venga trasmesso alle cellule figlie.

Inoltre, la proteomica ha rivelato che circa la metà delle proteine necessarie a UCYN-A sono prodotte dalla cellula ospite algale, quindi etichettate con una specifica sequenza di aminoacidi, che indica alla cellula di inviarle al nitroplasto. Il nitroplasto poi importa le proteine e le utilizza. Questa relazione dipendente, presa insieme alle immagini della divisione sincronizzata, mostra che UCYN-A merita lo stato di organello.

Immagine SXT (tomografia a raggi X morbidi ) di B. bigelowii in fase di divisione cellulare. L’entità che fissa l’azoto ora considerata un organello è ciano; il nucleo algale è blu, i mitocondri sono verdi e i cloroplasti sono lilla. (Credito: Valentina Loconte/Berkeley Lab)

Abstract: Le interazioni simbiotiche sono state fondamentali per l’evoluzione degli organelli cloroplasti e mitocondri, che mediano il metabolismo del carbonio e dell’energia negli eucarioti. La fissazione biologica dell’azoto, la riduzione dell’abbondante azoto atmosferico (N2) in ammoniaca biologicamente disponibile, è un processo metabolico chiave eseguito esclusivamente dai procarioti. Candidatus Atelocyanobacterium thalassa, o UCYN-A, è un cianobatterio fissatore di N2 metabolicamente snello, precedentemente segnalato come endosimbionte di un’alga marina unicellulare. Qui dimostriamo che UCYN-A è strettamente integrato nell’architettura cellulare algale e nella divisione organellare e che importa proteine codificate dal genoma algale. Queste sono caratteristiche degli organelli e dimostrano che UCYN-A si è evoluto al di là dell’endosimbiosi e funziona come un organello che fissa l’N2 all’inizio dell’evoluzione, o “nitroplasto”.

Adesso sarà necessario un grande lavoro per capire i dettagli di questa scoperta: da quanto tempo esiste questo organello? Si può trasferire a cellule che vivono sulla terra? Vi immaginate cosa significherebbe una pianta in grado di fare a meno dei concimi azotati? Quanti altri organelli esistono che erano in origine dei cianobatteri o batteri indipendenti? Quanto cambierà nella nostra concezione dell’evoluzione biologica dopo questa ennesima scoperta del ruolo della collaborazione cellulare?

Articoli consultati:

Nitrogen-fixing organelle in a marine alga Tyler H. Coale et al. Science 384, 217 (2024)

DOI: 10.1126/science.adk1075

Fai clic per accedere a S0092-8674(24)00182-X.pdf

Cornejo-Castillo et al., 2024, Cell 187, 1762–1768 March 28, 2024 https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.016

https://news.ucsc.edu/2024/04/nitrogen-fixing-organelle.html

Scientists Discover Nitrogen-fixing Organelle

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.016

Novità sugli imballaggi.

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 9 giugno, 2024 - 09:38

Luigi Campanella, già Presidente SCI.

A fine aprile scorso il dibattito in atto fra i sostenitori del riciclo e quelli del riuso degli imballaggi ha prodotto un compromesso a livello europeo con il fine di ridurre, riutilizzare e riciclare gli imballaggi, aumentare la sicurezza e promuovere l’economia circolare.

Tutti gli imballaggi devono essere riciclabili, al tempo stesso riducendo al minimo la presenza di composti nocivi, riducendo gli imballaggi non necessari, incrementando l’utilizzo di contenuti riciclati e migliorando la raccolta ed il riciclaggio.

La proposta in linea con la “gerarchia dei rifiuti” mira a ridurre la produzione di rifiuti di imballaggio, limitando il monouso e minimizzandone il numero. Per essere considerato riciclabile un imballaggio deve essere stato concepito, progettato ed immesso nel mercato con l’obiettivo di essere riutilizzato più volte in modo sicuro per ambiente e salute dei consumatori. Il regolamento sarà applicato a partire da 18 mesi dopo l’entrata in vigore con una valutazione sulla sua applicazione dopo 8 anni. Oltre agli obbiettivi sopra-individuati altri punti qualificanti del regolamento sono

-entro il 2025 la riduzione duratura del consumo di sacchetti di plastica

-limite all’uso negli imballaggi di sostanze nocive per la salute (PFAS, metalli tossici,…..)la cui somma delle concentrazioni non dovrà superare i 100 mg/kg (è uno dei pochissimi casi in cui ci si riferisce ad una somma di concentrazioni piuttosto che a limiti per singole concentrazioni)

-limiti di riutilizzabilità in funzione del contenuto: per le bevande ad esempio 10% entro il 2030; nessun limite fissato per merci pericolose, vini, liquori, latte e bevande deperibili.

Restano generalmente fuori gli imballaggi in cartone per i quali si auspica la sostituzione con materiali più adatti al riutilizzo.

Gli Stati dell’UE possono concedere una deroga di 5 anni ma perché sia valida devono avere superato di 5 unità % i limiti di riciclo fissati per il 2025. La deroga è anche concessa ad operatori che adottano un piano aziendale di prevenzione e riciclaggio dei rifiuti con la possibilità di formare pool di 5 distributori finali.

Interessante è un punto del regolamento riferito all’acqua: gli Stati membri devono incentivare ristoranti, mense, bar, caffetterie a servire l’acqua del rubinetto (se disponibile gratis o a basso costo) in contenitori riutilizzabili o ricaricabili

ACS Spring 2023 in Indianapolis

Chemical News - 30 marzo, 2023 - 23:33
Lots to celebrate at ACS’s fourth hybrid meeting

Aramco expands petrochemical presence in China

Chemical News - 30 marzo, 2023 - 22:49
Oil giant strikes 2 big deals as China-Saudi relations improve

This machine learning model takes MOF simulations to the next level

Chemical News - 30 marzo, 2023 - 22:03
The MOFTransformer model takes inspiration from the same technology that powers ChatGPT

Making biologics on demand

Chemical News - 30 marzo, 2023 - 19:53
Systems make flipping the switch on biopharmaceutical production faster and easier, potentially enabling personalized medicine

Albemarle attempts to buy Australian lithium miner

Chemical News - 30 marzo, 2023 - 15:02
Liontown Resources has rejected the $3.7 billion offer

Fast-food packaging can emit volatile PFAS

Chemical News - 29 marzo, 2023 - 21:15
Study suggests polymers with fluorinated side chains degrade into toxic fluorotelomer alcohols

Cinven beats Ineos to buy MBCC Admixtures

Chemical News - 29 marzo, 2023 - 19:42
UK competition authority is forcing Sika to find another buyer

Small molecule treats multiple sclerosis in rodents

Chemical News - 29 marzo, 2023 - 13:47
Compound inhibits receptor associated with signaling in certain cells in the central nervous system

Oil is more likely to stick around in a cold, sunny ocean

Chemical News - 28 marzo, 2023 - 23:12
Photochemical weathering could make oil spills more viscous and less able to disperse or dissolve in seawater at low temperatures

Advisory panel recommends accelerated approval for ALS drug

Chemical News - 28 marzo, 2023 - 19:57
Despite a failed clinical trial, experts agree that the biomarker data reasonably predict benefit for patients

Peptide nucleic acids progress for gene editing and antisense drugs

Chemical News - 28 marzo, 2023 - 17:53
These lab-made molecules can bind to genes more strongly than DNA and RNA do, making them promising drug candidates and genetic tools

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