Le Macchine Molecolari: La minaccia del Coronavirus SARS-CoV-2. Parte I

Difficilmente è vinto colui che sa conoscere le forze sue e quelle del nemico.

Nicollò Machiavelli in Dell’arte della guerra (1519-1520)

Un virus è la vita nella forma più semplice. È la riduzione minimalista di un organismo ai suoi elementi essenziali di funzionalità. Più pragmaticamente, un virus è un contenitore di codice genetico dotato di un efficiente meccanismo molecolare che gli consente d’invadere una cellula ospite di un organismo capace di riprodursi autonomamente. Come macchina molecolare, un virus può assomigliare nella forma e potere distruttivo, alla Morte Nera della saga di Star Wars. Pertanto, è un tipo di macchina molecolare che non vogliamo assolutamente avere dentro di noi!

La diffusione del coronavirus SARS-CoV-2 (COVID-19) ha prodotto una nuova pandemia, ovvero una infezione causata da un agente patogeno che colpisce l’intera popolazione di una specie vivente, in questo caso quella umana. Questa situazione di emergenza globale è il risultato di una competizione naturale tra specie viventi che ci rammenta di essere ancora un tassello nell’ecosistema di Gaia. Tuttavia, anche se sia sempre arduo da credere visto lo stato in cui abbiamo ridotto il nostro pianeta, siamo la forma di vita più intelligente nell’universo conosciuto. Quindi sarebbe abbastanza imbarazzante essere sconfitti da un nemico invisibile.

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Retro programming nostalgia IV: L’Equilibrio e la Titolazione Acido/Base (Parte I)

La motivazione per questo articolo nasce dal mio interesse per il retro-computing connesso, da una parte, alla rivalutazione delle mie esplorazioni giovanili del calcolo scientifico in linguaggio BASIC e dall’altra, alla popolarità che, negli ultimi anni, stanno avendo nel settore amatoriale e della didattica i microcomputer su scheda singola  (single-board computer, quali, per esempio  il Raspberry Pi).  Questi piccoli computer hanno una potenza considerevolmente maggiore a un costo decisamente inferiore dei microcalcolatori degli anni 80. Questo ha reso possibile l’emulazione su questi calcolatori dei sistemi operativi di mitici modelli di home computer della Commodore e i modelli MSX.

Pertanto sta prendendo piede anche un rinnovato interesse nel linguaggio di programmazione BASIC. Questo interesse nel retro-computing riflette la nostalgia nelle grandi emozioni che negli anni 70-80 lo sviluppo della tecnologia informatica consumistica ha portato alla mia generazione. Ricordo che rimasi folgorato dalla creatività nell’uso e nella programmazione di questi microcomputer al punto che ha ridiretto i miei interessi scientifici e la mia carriera accademica. 

Ho raccontato in altri articoli delle mie prime avventure di programmazione con  home computer della Commodore e i sistemi MSX alla fine degli anni ’80 e inizi degli anni ’90 e delle mie riscoperte di archeologia informatica. Tra i reperti ho rinvenuto un piccolo programma che ho usato per studiare le titolazioni acido/base sviluppato in MSX BASIC. Pertanto ho colto l’occasione per scrivere delle note sull’equilibrio acido base  e la titolazione e quindi fornire una versione restaurata e migliorate del mio programma, a gli studenti appassionati di programmazione  che sono  alle prese con questo importante concetto della chimica analitica.

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Easter 2020: Modelling Natural Shapes: (Easter) Eggs

One year ago, I wrote an article about the modelling of the egg shapes, promising at one point to come back on the topics. A next step in studying eggs shapes is to look to real one or a copy of it. A happy occasion for experimenting with the model using three-dimensional graphics and 3d Printing! That is a natural indeed step: take half of the symmetric curve representing the egg shape

y=T(1+x)^{\frac{\lambda}{1+\lambda}}(1-x)^{\frac{1}{1+\lambda}},

where T and \lambda are two parameters, and rotate it around the central axis

\begin{aligned} x'&=&x\\ y' &=&y*cos(\theta) \\ z' &=& y*sin(\theta) \end{aligned}

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Integrazione Numerica di Equazioni Differenziali: 50 anni fa l’uomo ha messo piede sulla Luna. Parte II

Questo è il secondo articolo di questa serie dedicata alla soluzione numerica delle equazioni differenziali. La serie prende spunto dagli eventi che hanno portato l’uomo sulla Luna.

Nel luglio del 2019, quando ho iniziato a scrivere questo articolo, ricorreva il 50esimo anniversario della missione Apollo 11 (Neil A. Armstrong, Edwin A. Aldrin and Michael Collins) in cui gli astronauti Armstrong, Aldrin hanno posato il piede sulla superficie lunare. Un evento epocale nella storia umana che segna anche l’inizio della esplorazione spaziale. Dopo 50 anni, la NASA come altre agenzia spaziali e compagnie private, si stanno preparando per tornare sulla Luna per creare avamposti per l’esplorazione umana di pianeti più distanti come per esempio Marte. Questo anniversario mi portò ad interessarmi per raccogleire idee per la mia attività d’insegnamento e per curiosità personale, alle tecniche d’integrazione numerica delle equazioni differenziali usate per effettuare i calcoli delle traiettorie dal sistema di guida delle astronavi Apollo e dai calcolatori che hanno assistito l’impresa dalla Terra. In questo articolo semi divulgativo riassumo le informazione che ho raccolto leggendo (in maniera incompleta) la documentazione della NASA e quella ottenuta leggendo dei libri sull’argomento. Come mio solito presenterò anche dei semplici programmi che implementano questo algoritmi.

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Molecular Machines: the Coronavirus SARS-CoV-2 Menace. Part I

If you know the enemy and know yourself, you need not fear the result of a hundred battles. If you know yourself but not the enemy, for every victory gained you will also suffer a defeat. If you know neither the enemy nor yourself, you will succumb in every battle.”

SunTzu. The Art of War

A virus is the Bauhaus of the form of life: the minimalist reduction of an organism to its essential element of functionality. More pragmatically, it is a container of genetic code provided with a smart mechanism that allows it to invade cells of another host organism. As a molecular machine, a virus can resemble in shape and destructive power the Death Star spaceship of the Star War saga. Therefore, it is a molecular machine that we do not definitively want to have within us!

The spread of the coronavirus SARS-CoV-2 has produced a new pandemic, i.e. an infection caused by a pathogen that affects the entire population of a living species, in this case the human one. This global emergency situation is the result of a natural competition between living species that reminds us that we are still a small brick of the Gaia ecosystem. However, although it is always difficult to believe given the state in which we have reduced our planet, we are the most intelligent life form in the known universe. So it would be quite embarrassing to be defeated by an invisible enemy.

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Examples of the Particle in a Box Model Applications

In a previous article, I have shown a simple derivation of the properties of a quantum particle confined in a one-dimensional box. Although the model is straightforward with unrealistic assumptions, such as the infinite walls, it produced qualitative results that paved the way for the development of quantum chemistry. There are several example practical applications in chemistry and nanoscience where the particle in a box model can be applied or serves as a conceptual foundation.

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Physical Chemistry. The Particle in a Box I: the Schrödinger Equation in One-dimension

In 1926, the Austrian physicist Erwin Schrödinger (1887-1961) made a fundamental mathematical discovery that had a profound impact on the study of the molecular world (in 1933, Schrödinger was awarded the Nobel Prize in Physics just seven years later, his breakthrough discovery). He discovered that a quantum system’s state composed of particles (such as electrons and nucleons) could be described by postulating the existence of a function of the particle coordinates and time, called state function or wave function (\Psi, psi function). This function is the solution of a wave equation: the Schrödinger equation (SE). Although the SE equation can be solved analytically only for relatively simple cases, the development of computer and numerical methods has made possible the application of SE to study complex molecules. 

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A personal tribute to one of the founders of MD simulation of biological molecules: Prof Herman J.C. Berendsen (1934-2019)

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The First 150 Years of the Periodic Table of the Elements

That the nobility of man, acquired in a hundred centuries of trial and error, lay in making himself the conquerer of matter, and that I had enrolled in chemistry because I wanted to remain faithful to this nobility. That conquering matter is to understand it, and understanding matter is necessary to understanding the universe and ourselves: and that therefore Mendeleev’s Periodic Table, which just during those weeks we were laboriously learning to unravel, was poetry, loftier and more solemn than all the poetry we had swallowed down in liceo; and come to think of it, it even rhymed!

Primo Levi, The Periodic Table.

This year marks the 150th anniversary of the periodic table of the elements (TPE) which currently has 118 entries, the latest arrival (the Tennessine) was discovered 10 years ago (announced in April 2010), and I feel obliged as a chemist to give some a small informative contribution to celebrate this important event.

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L’Integrazione Numerica di Equazioni Differenziali: 50 anni fa l’ uomo ha messo piede sulla Luna

Nel giorno in cui iniziai a scrivere questo articolo ricorreva l’anniversario della prima esplorazione da parte dei cosmonauti americani Neil Armstrong, Michael Collins, Buzz Aldrin della nostra Luna. Anche se non ho una memoria diretta di questi eventi, le missioni delle progetto Apollo evocano in tutti noi una forte emozione rappresentando un momento unico ed epico nella storia della conquista dello spazio. Nessun altro uomo ha messo di nuovo piede sulla Luna dopo l’ultima missione (Apollo 17) nel 1972, per cui i recenti annunci della NASA di nuove esplorazioni umane del nostro satellite rende l’anniversario ancora più eccitante.

L’ immagine di copertina di questo articolo è stata creata da mio figlio Leonardo per una sua ricerca scolastica sulle missioni Apollo ed è un collage d’immagini ottenute usando i programmi Google Earth e Sketchup. Nella figura si confrontano le dimensioni del razzo Saturno V con quelle della meravigliosa cattedrale di Lincoln in Gran Bretagna per dare un’idea dell’enorme grandezza del vettore spaziale. Il pensiero che l’uomo sia riuscito nel giro pochissimi anni in uno sforzo tecnologico e scientifico immenso a costruire questa cattedrale volante della tecnologia mi ha suscitato una forte curiosità a cui non ho saputo trattenermi e ho così iniziato a spiluccare la miriade di documenti disponibili sul sito della NASA sul programma Apollo nella ricerca di qualche aspetto interessante e curioso di questa impresa tecnologica senza eguali.

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