STEP #26 - La chimica e gli strumenti scientifici

tipica struttura ad elica di una molecola di DNA

Una delle applicazioni principali dell'elettroforesi è quella della separazione ed analisi dei segmenti di DNA. L'elettroforesi su gel di agarosio permette di individuare segmenti di DNA in un range da 100bp  25kbp, (coppie di basi). Questo metodo ha rivoluzionato le metodologie per questo tipo di operazioni, che prima si basavano sulla centrifugazione che forniva risultati approssimativi.

risultati sperimentali di elettroforesi su campione di DNA 

Lo strumento permette di separare i segmenti di DNA applicando una tensione elettrica al gel in cui la molecola è immersa. La carica negativa della struttura del DNA interagisce con il campo elettrico per migrare all'interno del gel, con velocità proporzionale al suo peso. Dopo la separazione è possibile visualizzare i segmenti tramite l'utilizzo di un colorante e sotto luce UV, avranno raggiunto posizioni diverse a seconda della loro lunghezza e massa.

-Fonti:

-https://www.jove.com, "Jove" scientific video journal

STEP # 23 - La normativa

 Di seguito sono riportate norme nazionali ed internazionali per l'impiego di strumenti per elettroforesi:

- UNI 10414:1994

Titolo : Grano duro e grano tenero. Definizione della purezza varietale mediante elettroforesi delle proteine. Metodo rapido.

Definisce un metodo per la determinazione della purezza varietale del grano, duro e tenero, mediante analisi elettroforetica delle proteine di riserva (frazione gliadinica) della cariosside.

- JIS K 3838

Titolo: General rules for SDS-polyacrylamide gel electrophoresis analysis

- DIN 10472 

Titolo: Determination of casein and whey protein contents of milk and milk products - Electrophoretic method

Fonte:

- https://www.uni.com/, UNI - "Ente italiano di normazione"

- https://www.din.de/, DIN - "Deutsches Institut für Normung"

STEP # 17- I brevetti

 Il primo brevetto di uno strumento per l'elettroforesi compare nell'ufficio brevetti statunitense,  si legge nella descrizione che è un "nuovo ed evoluto apparato per l'analisi di colloidi e altre miscele di interesse biologico ed industriale". Esso è stato pubblicato da tre ricercatori dell'università della Pennsylvania nel 1946

il brevetto è pubblicato con codice:US2412602A 

   ed il suo titolo è:"Electrophoresis apparatus"

schema costruttivo dello strumento

descrive un metodo per il rivestimento di materiali con uno strato isolante, molto simile alla moderna elettrodeposizione, che aumenta la resistenza termica ed elettrica del materiale, senza modificarne la tenacità meccanica. Nell'immagine che segue si nota lo strumento e la vasca in cui sono immersi i corpi sottoposti a deposizione.

vasca elettrolitica di rivestimento per oggetti

 In Italia il primo brevetto riguardante l'elettroforesi risale al 1978, è un metodo della "General Electric" per la formazione di corpi formati da beta-allumina tramite elettroforesi. Non sono state purtroppo depositate immagini del processo

codice: IT1296568B1

titolo:  Forming beta-alumina bodies pref by electrophoresis - for use as solid electrolyte in electric energy sources

Il metodo dell'elettroforesi è ancora in uso nella moderna chimica, l'ultimo brevetto pubblicato risale infatti al 12/11/2020, dal codice: AU2020102458A4   e titolo: "METHOD FOR EXTRACTING HIGH-QUALITY DNA FROM IDESIA POLYCARPA"

è quindi un metodo per ricavare il DNA di questa pianta. Esso permette di individuare i segmenti di DNA della pianta e creare ottenere il seguente grafico per analizzarne la struttura

bande risultanti dall'analisi del DNA della polycarpa

-Fonte espacenet.com:

https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/023815931/publication/US2412602A?f=publications.pd%3Ain%3D19440101-20201231&q=electrophoresis

https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/035605516/publication/CA471568A?f=publications.pd%3Ain%3D19440101-20201231&q=electrophoresis

https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/011225807/publication/IT1025377B?f=publications.cc%3Ain%3Dit&q=electrophoresis

https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/073048423/publication/AU2020102458A4?f=publications.pd%3Ain%3D19440101-20201231&q=electrophoresis

STEP # 15 - I numeri

•  1,602176565 * 10^(-19) C - la carica elementare di una particella, essa permette la mobilità dei soluti in un campo elettrico e la loro separazione nello strumento
• 90° - temperatura di esercizio nella ricostruzione del DNA, così da lasciarne intatta la struttura
• 1948 - Tiselius vince il Nobel per la chimica grazie ai suoi studi sull'elettroforesi
• 400Mln $ - valore del mercato mondiale di gel poliacrilammide da elettroforesi nel 2019

STEP # 14 - La tassonomia

 Un interessante albero tassonomico dello strumento è quello che dalla disciplina cardine, la chimica, va ad evidenziare le tipologie di materiali e corpi studiati, ognuno tramite un opportuno metodo, che nel caso delle biomolecole è proprio quello dell'elettroforesi. 

STEP #09 - Gli inventori

Il fenomeno dell'elettroforesi fu descritto per la prima volta nel 1807 da Ferdinand Friedrich Reuss, che osservò la migrazione di particelle di argilla immerse in acqua in presenza di un campo elettrico esterno.

Il primo dispositivo per svolgere l'elettroforesi fu realizzato nel 1937 dal biochimico svedese Arne Tiselius.

Egli nacque a Stoccolma nel 1902, la sua attività scientifica prese il via quando divenne assistente di ricerca nel laboratorio del prof. Svedberg nel 1925 e conseguì la laurea in dottore nel 1930 con la tesi: “The moving-boundary method of studying the electrophoresis of proteins”

Divenne coordinatore presso l'istituto di biochimica dell'università di Upssala.

Sotto la guida di Tiselius questo istituto ha contribuito allo sviluppo e al miglioramento di una serie di metodi utili in biochimica, come l'elettroforesi, la cromatografia, la partizione di fase, la filtrazione su gel, ecc. Questi metodi e altri sono stati applicati a studi di sostanze di grande peso molecolare come principalmente proteine ​​ed enzimi, ma anche polisaccaridi (destrano) e acidi nucleici.

Grazie alle sue ricerche proprio sull'elettroforesi delle proteine, egli vinse il Premio Nobel per la chimica nel 1948

STEP#07 - Il mito

Nella mitologia e nella tradizione della storia umana è sempre stato forte il desiderio della conoscenza del mondo circostante e soprattutto della sua composizione, ne è testimonianza per esempio la nascita dell'alchimia, la disciplina che aveva come scopo la ricerca della "pietra filosofale", capace di tramutare l'oro in metalli vili.

 

Un alchimista al lavoro nel suo laboratorio, incisione xilografica, secolo XVII, Fototeca Gilardi  

La disciplina fondeva pratiche magiche e filosofiche, ed era un primo accenno a quella che sarebbe stata la chimica, era quindi forte il desiderio di individuare sostanze e composti, per poterli sperimentare e crearne di nuovi, scoprendo man mano i meccanismi che regolano la materia e le sue trasformazioni. 

STEP #03-Glossario

• Cataforesi : spostamento verso il catodo di particelle colloidali cariche positivamente, sotto l’azione di un campo elettrico

• Anaforesi: spostamento verso l’anodo di particelle colloidali cariche negativamente sotto l’azione di un campo elettrico

• Elettrodo: Conduttore, di forma e natura opportuna, che adduce corrente o crea un campo elettrico in un mezzo 

• Anodo: elettrodo a potenziale più alto di una cella elettrolitica, di un tubo elettronico o, in generale, di un apparecchio elettrico destinato a far passare corrente elettrica attraverso un elemento conduttore

• Catodo: elettrodo che, in una cella elettrolitica o in un tubo a scarica, ha potenziale negativo rispetto all'anodo 

• Carica elettrica: grandezza fisica caratteristica dei corpi elettrizzati, che li rende sensibili a campi elettrici

-Fonte:

Treccani, "dizionario lingua italiana"

STEP #01- Il nome

L'elettroforesi è un metodo che permette di separare le macromolecole, lo strumento in grado di utilizzare questo metodo permette in particolare di separare le proteine sulla base della loro massa molecolare e carica elettrica.

Electrophoresis, électrophorèse, elektrophorese, queste le traduzioni in inglese, francese e tedesco, nelle tre lingue è evidente la comune etimologia, essa deriva dalla lingua greca, dalle parole "elettro" e ϕόρησις "trasporto", dal tema di ϕορέω "trasportare".