Una ricerca sviluppata presso il Dipartimento di Biologia dell’Università degli studi di Modena e Reggio Emilia ha consentito di ottenere nuovi importanti risultati scientifici nel campo della Biochimica, consentendo di comprendere la mappatura ed il sequenziamento degli oligosaccaridi, ovvero glucidi complessi, derivati dai Glicosaminoglicani (GAGs) elementi funzionali nella crescita cellulare. L’interesse scientifico internazionale per i risultati ottenuti è testimoniato dalla recente pubblicazione dello studio sull’importante rivista Nature Protocols.
Il sequenziamento è stato reso possibile grazie ad uno studio condotto dal prof. Nicola Volpi, docente di Biochimica alla facoltà di Bioscienze e Biotecnologie, in collaborazione con il Prof. Robert J. Linhardt del Rensselaer Polytechnic Institute di Troy nello Stato di New York (USA), che ha accoppiato l’uso della cromatografia liquida ad alta pressione alla spettrometria di massa nella ricerca dei GAGs, (macro)molecole difficili da analizzare e caratterizzare a causa della loro densità di carica fortemente negativa, polidispersività ed eterogeneità.
I GAGs, ad esempio acido ialuronico, eparina, condroitin solfato e cheratan solfato, sono eteropolisaccaridi naturali largamente presenti negli organismi viventi, dai batteri all’uomo, dove svolgono importanti funzioni nella struttura delle matrici extracellulari così come nella crescita cellulare, differenziamento, morfogenesi, migrazione cellulare, processi di coagulazione, infezioni virali e batteriche. Il mancato corretto metabolismo relativo ai GAGs produce patologie estremamente gravi, come ad esempio le mucopolisaccaridosi e la distrofia maculare corneale.
“Come tali – spiega il prof. Nicola Volpi – i GAGs sono largamente impiegati in diverse terapie ad esempio l’eparina utilizzata come farmaco anticoagulante, antitrombotico e trombolitico. Inoltre, le loro numerose ed importanti attività biologiche stanno aiutando i ricercatori a sviluppare nuovi approcci farmacologici basati sui GAGs, per combattere infezioni batteriche e virali, nella medicina rigenerativa, come farmaci antitumorali o semplicemente come markers di specifiche patologie. Le diverse attività biologiche dei GAGs implicano l’interazione con proteine e fattori di crescita, in maniera specifica, e catene (oligo)polisaccharidiche, mostrano attività diverse a seconda delle loro peculiari strutture e proprietà. In questo senso, la specificità di interazione tra i GAGs e le proteine è essenziale per comprendere le relazioni struttura-funzioni biologiche”.
La spettrometria di massa (MS) con ionizzazione elettrospray (ESI) è una tecnica particolarmente promettente per l’analisi di oligosaccaridi generati chimicamente o enzimaticamente dai GAGs a causa delle loro capacità ionizzanti. Inoltre, la cromatografia liquida ad alta pressione (HPLC) accoppiata on-line alla spettrometria di massa facilita enormemente la caratterizzazione strutturale dei GAGs/oligosaccaridi, fornendo importanti informazioni sulla loro complessa composizione saccaridica.
Nel lavoro condotto dal ricercatore modenese e dal collega statunitense si riporta un innovativo protocollo analitico per la produzione di oligosaccaridi da varie specie di GAGs mediante specifica depolimerizzazione chimica o enzimatica insieme con la loro separazione attraverso la cromatografia liquida ad alta pressione, usando reagenti volatili “ion-pairing” in fase inversa, interfacciata on-line con ESI-MS, per la loro identificazione strutturale.
Il risultato è un’analisi che fornisce una mappatura degli oligosaccaridi insieme ad informazioni sulla sequenza saccaridica partendo da un “reading frame” iniziale dall’estremità non riducente della catena dei GAGs. La metodica sviluppata risulta essere rapida in quanto la preparazione di oligosaccaridi può essere effettuata in 10 ore, seguita dalle analisi attraverso la cromatografia liquida ad alta pressione per 1-2 ore e da HPLC-ESI-MS per l’analisi strutturale per ulteriori 2 ore.
“Il metodo riportato in Nature Protocols – afferma il prof. Nicola Volpi dell’Università degli studi di Modena e Reggio Emilia – offre il vantaggio di un’eccellente separazione cromatografica dei vari oligosaccaridi di GAGs con la loro concomitante inequivocabile caratterizzazione strutturale. Questo metodo è quindi utile per le analisi strutturali dei GAGs di interesse farmacologico ed è abbastanza sensibile per applicazioni su tessuti e liquidi biologici. Con il sempre crescente interesse nella struttura, proprietà biologiche e farmacologiche di queste macromolecole, c’è la necessità di sviluppare approcci analitici rapidi ed affidabili per la caratterizzazione strutturale di preparazioni farmaceutiche e campioni biologici. Sviluppi futuri esamineranno l’applicazione di questo protocollo ad altre macromolecole ed oligosaccaridi naturali”.
Nicola Volpi. E’ professore associato di Biochimica. Insegna Biochimica nel Corso di Laurea triennale in Scienze Biologiche ed è responsabile del corso Laboratorio di separazioni elettroforetiche e cromatografiche e del modulo di Processi Chimici Bioassistiti nel Corso di Laurea triennale in Biotecnologie. E’ autore di 2 libri, 4 pubblicazioni divulgative, circa 130 pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali, 8 reviews, 85 comunicazioni a congresso, 10 “Invited Lecture” e due libri pubblicati con la responsabilità di Editor. Collabora come reviewer per numerose riviste scientifiche ed è membro dell’Editorial Board di diverse riviste scientifiche internazionali. Ha avuto finanziamenti da MIUR, CNR e ditte farmaceutiche italiane ed europee. Il suo principale interesse scientifico riguarda lo studio di carboidrati complessi quali proteoglicani, glicosaminoglicani e glicoproteine. Studia la messa a punto di nuovi metodi di estrazione e analisi per caratterizzare le loro proprietà e struttura in estratti tissutali e cellulari, e liquidi biologici. Si occupa inoltre di caratterizzare la struttura di polisaccaridi complessi di origine batterica e della loro modificazione mediante approccio chimico e biotecnologico.