Elettronegatività, legami e bioluminescenza

Cosa c’è di più bello che mostrare ai propri studenti a cosa servono le informazioni che studiano?

Questa settimana voglio parlarvi di un sito che ho scoperto di recente dove la ricerca scientifica e la didattica si incontrano e si fondono insieme in un mix perfetto.

Sto parlando di BiteScis, un portale ideato da un gruppo di scienziati e di comunicatori con l’intento di fornire agli insegnanti risorse didattiche che aiutino gli studenti a sviluppare una vera comprensione della scienza, aprendo anche una finestra sul lavoro del ricercatore e sulla ricerca scientifica attuale. 

Connettendo la scienza che imparano a scuola e la scienza fatta in laboratorio, il team di BiteScis spera che gli studenti comincino anche a immaginare di diventare i ricercatori di domani.

By making the connections between the science they learn in school and the science done in the lab, we hope students start to envision themselves as the researchers of the future.

Credits: https://bitescis.org/why-bitescis/

Sono incappata su BiteScis per caso, mentre cercavo nuove idee per attività da fare relativamente alle proprietà periodiche e ai legami e ne ho trovata una davvero interessante: “Elettronegatività, legami e bioluminescenza“, appunto!

L’ho subito tradotta per i miei ragazzi e non vedevo l’ora di raccontarvela, anche se non sapevo bene come fare per via del copyright. Altre volte sono incappata nella generosità di persone che ritengono la condivisione un valore, per cui ho provato a scrivere chiedendo loro il permesso di raccontarvi la loro attività sul blog. Avrete già intuito la generosa risposta visto che sono qui a raccontarvelo, no? Anzi, approfitto di questo post per ringraziarli pubblicamente per l’incredibile lavoro che stanno facendo! 🙂

L’attività è basata sulla ricerca di un gruppo di scienziati di Stanford che sono riusciti a sintetizzare una particolare molecola di luciferina da utilizzare con la tecnica di imaging a bioluminescenza nella ricerca sul cancro.

Le luciferine sono composti organici (eterociclici) prodotti in molti organismi in cui si può osservare bioluminescenza, come ad esempio le lucciole,  che funzionano da substrato per l’enzima luciferasi, che catalizza una reazione di ossidoriduzione in cui viene appunto emessa energia sotto forma di luce.

La ricerca

La tecnica di imaging a bioluminescenza (BLI) è uno strumento prezioso per la ricerca sul cancro perché consente agli scienziati di visualizzare l’attività dei geni all’interno delle cellule tumorali e la crescita cellulare. Utilizzando la BLI, i ricercatori possono monitorare, tra le altre cose, anche il modo in cui le cellule tumorali rispondono alle terapie farmacologiche. A differenza di altre tecniche di visualizzazione, la BLI può essere utilizzata in vivo, ossia nelle cellule di organismi viventi.

Come vi dicevo, la D-luciferina è un substrato e la bioluminescenza si ottiene quando la molecola della D-luciferina interagisce con l’enzima luciferasi.

Attualmente, la principale limitazione negli studi con la BLI in vivo è l’assorbimento e la dispersione della luce da parte dei tessuti, che si traduce in una forte attenuazione della bioluminescenza quando questa viene emessa a lunghezze d’onda inferiori a 600 nm.

Nei tessuti, quindi, la bioluminescenza della D-luciferina (emissione giallo-verde λ _{em, max} = 553–559 nm) diminuisce con la profondità. Di conseguenza, le applicazioni di questo sistema sono limitate principalmente ai piccoli animali e a tessuti superficiali.

Per superare i limiti della D-luciferina, gli scienziati hanno cercato nuovi tipi di luciferine selezionando in laboratorio varianti della D-luciferina ottenute per mutazioni casuali.

Prima dello studio dei ricercatori di Stanford, tuttavia, anche le varianti di substrato ottenute per mutazione venivano assorbite nelle cellule e quindi non venivano rilevate, allo stesso modo della D-luciferina originale.

I ricercatori di Stanford sono, invece, riusciti a sintetizzare l’aminoseleno-D-luciferina, un analogo del selenio dell’amino-D-luciferina. Questa molecola si è dimostrata un ottimo substrato per l’enzima luciferasi della lucciola, emettendo bioluminescenza ad una lunghezza d’onda maggiore e mantenendo le sue funzioni anche negli studi in soggetti viventi.

L’attività

Per fare l’attività, perfetta ad esempio nella fase di Elaborate di un learning cycle sulle proprietà periodiche o sui legami, bastano 50 minuti.

L’attività prevede l’uso di due schede: una con le domande di analisi sulla ricerca e una con una descrizione semplificata della ricerca stessa chiamata Bite.

Introduzione

Le proprietà delle molecole dipendono dalle proprietà degli atomi che le costituiscono e da come questi atomi sono legati tra loro. In questa attività, esamineremo tre diverse molecole e rifletteremo sulle loro somiglianze e differenze e su e come la loro struttura influenza le proprietà che possiamo osservare.

La scheda mostra una figura con i modelli di tre molecole coinvolte in uno studio della Stanford University. I ricercatori stavano esplorando le differenze nelle proprietà specifiche di queste molecole e confrontandone l’utilità per un’applicazione particolare—studiare il cancro! Saprete di più sulla ricerca più avanti durante l’attività.

 

Domande di analisi:

1. Esamina le molecole della figura.

• Cos’hanno in comune tutte e tre?
• Qual è la differenza tra la struttura dalla D-luciferina e quella dell’ammino-D-luciferina?
• Qual è la differenza tra la struttura della ammino-D-luciferina e quella dell’amminoseleno-D-luciferina?

2. Quale atomo ha elettronegatività maggiore, lo zolfo o il selenio? Spiega come fai a saperlo. Nella tua risposta descrivi come cambia l’elettronegatività andando dall’alto verso il basso lungo un gruppo nella tavola periodica e spiega il perché.

3. Quale atomo ha l’elettronegatività maggiore, l’ossigeno o l’azoto? Spiega come fai a saperlo. Nella tua risposta descrivi come cambia l’elettronegatività andando da sinistra a destra lungo un periodo nella tavola periodica e spiega perché.

Nella prima figura analizzata, ciascun vertice non contrassegnato nelle strutture a sei e cinque lati rappresenta un atomo di carbonio. In una nuova figura, parte della struttura della D-luciferina e dell’amminoseleno-D-luciferina sono rappresentate con le strutture di Lewis.

 

4. Analizza la figura 2 e rispondi alle seguenti domande.

• Cerchia gli elettroni che formano un legame covalente tra l’ossigeno e il carbonio nella D-luciferina e tra l’azoto e il carbonio nella aminoseleno-D-luciferina.
• Nei legami covalenti gli elettroni vengono condivisi. Metti a confronto il modo in cui gli elettroni vengono condivisi nel legame covalente apolare tra i due atomi di carbonio (C-C) e nei legami covalenti polari che hai cerchiato nella parte a. Sono condivisi equamente o no? Motiva la tua risposta. (Suggerimento: rifletti su quale proprietà periodica potresti usare per aiutarti).
• Confronta il modo in cui gli elettroni vengono condivisi nel legame covalente polare tra carbonio e ossigeno (C–O) nella D-luciferina e nel legame covalente polare tra carbonio e azoto (C–N) nell’ amminoseleno-D-luciferina. Sono condivisi equamente o in modo ineguale? Motiva la tua risposta. (Suggerimento: pensa a quale proprietà periodica potresti usare per aiutarti).
• È utile pensare ai legami in un continuum basato sul modo in cui gli elettroni vengono condivisi (equamente, non equamente, trasferiti). In un continuum, una proprietà, come ad esempio la condivisione equa di elettroni cambia gradualmente da un estremo all’ altro senza distinzioni nette. Colloca i seguenti legami e contrassegnali nel continuum qui sotto:
  Legami: C–C, C–O, C–N, Na–Cl
  Etichette: legami ionici, legami covalenti apolari, legami covalenti polari.

 

• La differenza di elettronegatività tra due atomi legati tra loro aumenta o diminuisce quando si passa da elettroni “condivisi equamente” a elettroni “trasferiti”? Spiega perché questo ha senso.

In che modo le lucciole aiutano gli scienziati a combattere il cancro?

5. Citando i dettagli dalla scheda di approfondimento del Bite, descrivi ciò che i ricercatori hanno fatto per creare l’amminoseleno-D-luciferina e spiega perché per la ricerca sul cancro questa molecola è più utile della D-luciferina.

Le informazioni sulla bioluminescenza di D-luciferina, ammino-D-luciferina e aminoseleno-D-luciferina sono riportate in una terza figura presente nella scheda studente.

 

6. Negli studi sul cancro, le cellule intorno a quelle tumorali per lo più assorbono lunghezze d’onda superiori o inferiori a 600 mm? Spiega la tua risposta, citando informazioni specifiche ricavate dal Bite e dal diagramma.

7. In che modo la diminuzione dell’elettronegatività degli atomi nella D-luciferina ha influenzato le proprietà della molecola? Discuti sia l’ammino-D-luciferina che l’aminoseleno-D-luciferina nella tua risposta.

8. Perché gli scienziati hanno condotto le ricerche descritte nel Bite? Descrivi l’ipotesi che stavano testando o il problema che stavano cercando di risolvere.

9. Rifletti sulla natura della scienza: cosa significa osservare? Nell’ultimo paragrafo del Bite, l’autrice paragona l’aminoseleno-D-luciferina ad un telescopio. Pensando all’importanza dell’osservazione nella scienza, cosa pensi che intendesse l’autrice con quel paragone? In che modo il contributo alla ricerca scientifica attuale di questi nuovi strumenti di osservazione può essere paragonato a quello dell’invenzione di microscopi e telescopi in passato?

Che ne pensate? Attività interessante vero?

Io trovo sempre emozionante far lavorare i ragazzi a partire da dati provenienti da ricerche scientifiche. Credo che per loro sia bellissimo rendersi conto che quelle che potrebbero sembrare “informazioni” da imparare sono invece concetti potenti con cui poter, ad esempio, progettare nuove molecole che permetteranno di far progredire la ricerca sui tumori.

L’effetto WOW non deriva solo da fenomeni strani e particolari che lasciano i ragazzi a bocca aperta, è effetto WOW anche scoprire che se sfrutto la diversa elettronegatività di due elementi posso migliorare la bioluminescenza prodotta da una molecola che mi permetterà di “vedere” le cellule tumorali attraverso il corpo di un organismo vivo per poterle studiare. Non credete anche voi?

Le attività di BiteScis sono, al momento, destinate a ragazzi di scuola superiore ma non è detto che non riusciate a trovare anche qualcosa di adattabile per i ragazzi più piccoli. Sul sito di BiteScis potete, infatti, trovare molte altre attività di chimica, biologia e fisica. Unica limitazione per noi è la lingua (è solo in inglese) ma sono certa che riusciremo a trovare un modo per aggirare questo ostacolo.

Nel frattempo, se siete interessati alla schede già tradotte in italiano di questa attività che ho preparato per i miei ragazzi, non dovete fare altro che iscrivervi alla newsletter e le riceverete nella prossima mail. 🙂

Dimenticavo… Se provate l’attività con i vostri studenti, potete anche inviare le vostre osservazioni al team di BiteScis che desiderano ricevere i feedback degli insegnanti per poter migliorare sempre più questo già magico intreccio tra ricerca scientifica e didattica.

Spero di esservi stata utile!

Alla prossima 🙂

Barbara