Crediti: Chemistry: Principles, Patterns, and Applications
Tutti abbiamo delle preferenze. Scegliamo sempre una cosa piuttosto che un’altra. La biologia non fa eccezioni.
C’è una proprietà che possiedono molte molecole, chiamata chiralità, che indica l’esistenza di due versioni di una stessa specie molecolare. Le due molecole hanno identica formula chimica, ma sono l’una l’immagine speculare dell’altra, e per questo, non sono sovrapponibili. Una configurazione è detta ‘D’ (da destrogiro), l’altra è detta invece ‘L’ (da levogiro).
L’esempio classico che si fa per spiegare questa caratteristica è quello della mano. Le nostre mani sono strutturalmente simili, ma se proviamo a sovrapporle l’una sull’altra queste non coincideranno. Ce ne accorgiamo ad esempio quando tentiamo di infilarci un guanto sinistro nella mano destra o viceversa. Le nostre mani sono quindi chirali e ciascuna, come si direbbe in “chimichese” parlando di molecole chirali, è un “enantiomero”: membri di una coppia speculari l’uno dell’altro.
In natura la maggior parte delle molecole sono chirali. Tuttavia, e qui torniamo al discorso iniziale sulle preferenze, la vita sulla Terra pare aver scelto una versione di una molecola piuttosto che l’altra. In pratica, quasi tutte le macromolecole biologiche (salvo un’eccezione in alcuni batteri) sono costruite a partire da mattoncini presenti sempre nella stessa forma chiralica: zuccheri destrogiri nel Dna e nell’Rna, e aminoacidi levogiri nelle proteine. Lo stesso Dna, come macrostruttura, è chirale, ed è presente all’interno del nucleo delle nostre cellule nella sua forma con avvolgimento destrorso e non già in quello sinistrorso.
Illustrazione che mostra l’interazione delle molecole chirali con i recettori biologici. Crediti: Chemistry: Principles, Patterns, and Applications
Quando ciò accade si parla di omochiralità: un termine che, come suggerisce il nome, indica la preferenza per una forma chirale piuttosto che per l’altra. Una preferenza che in biologia è fondamentale. Ce lo dice il fatto che se all’interno di un sistema biologico, che produce un solo tipo di molecola chirale, sostituiamo questa versione con l’altra forma, questo non funzionerà più correttamente o smetterà addirittura di funzionare. Pensate all’apertura di una porta con il calco della mano destra. Se provate ad aprire con la mano sinistra non ci riuscirete. E poiché in biologia tutto è interazione di qualcosa con qualcos’altro – proteine con enzimi, anticorpi con batteri e virus, Dna con proteine – capite bene cosa significhi utilizzare l’una in alternativa all’altra “mano molecolare”.
Quindi, per tutte le sostanze chirali, il mondo vivente ha fatto la sua scelta, utilizzando prevalentemente uno solo di due enantiomeri. Avrebbe potuto però fare la scelta opposta, utilizzando gli amminoacidi D, gli zuccheri L e il Dna sinistrorso. Ciò significa che durante l’evoluzione si è sviluppata in qualche modo questa “preferenza” per certe forme chirali rispetto ad altre.
Il primo a scoprire l’omochiralità biologica fu Louis Pasteur 1848, studiando le proprietà ottiche di un composto noto agli enologi, l’acido tartarico. Da allora, gli scienziati non hanno mai smesso di cercare di comprenderne l’origine. Ad oggi, tuttavia, questa preferenza è ancora avvolta dal mistero. Ci sono solo ipotesi. Alle quali ora si aggiunge quella di due scienziati della Stanford University, Noémie Globus e il Roger Blandford. Nel loro articolo, pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, i due ricercatori propongono che all’origine dell’omochiralità ci sia l’azione dei raggi cosmici: radiazione ad alta energia proveniente da varie fonti in tutto l’universo, tra cui stelle e galassie distanti.
Questi raggi cosmici, per fortuna, non riescono a raggiungerci. Dopo aver colpito l’atmosfera terrestre, infatti, si degradano in particelle fondamentali – tra le quali ci sono i muoni, abbondanti a livello del suolo. Queste particelle sono instabili, sopravvivono infatti per soli due milionesimi di secondo. E sono polarizzate magneticamente, nel senso che, in media, condividono tutti lo stesso orientamento magnetico: quando decadono, lo fanno producendo elettroni con la stessa polarizzazione magnetica.
«Siamo irradiati continuamente dai raggi cosmici», dice Globus. «I loro effetti sono piccoli, ma costanti in ogni luogo del pianeta in cui la vita potrebbe evolversi, e la polarizzazione magnetica dei muoni e degli elettroni è sempre la stessa. E anche su altri pianeti, i raggi cosmici avrebbero gli stessi effetti».
Schema che mostra come a partire dai raggi cosmici originati dal Sole e dalla nostra galassia si generino i muoni responsabili della ionizzazione mutagena preferenziale nel Dna destrogiro, che nel tempo sarebbe stato favorito dall’evoluzione. Crediti: Simons Foundation
Nello studio, i ricercatori suggeriscono che la capacità penetrante di queste particelle muoniche e degli elettroni prodotti dal loro decadimento siano alla base dell’omochiralità sulla Terra e in qualsiasi altra parte dell’universo.
«Proponiamo che la scelta preferenziale alla quale assistiamo sulla Terra sia dovuta all’evoluzione avvenuta in mezzo a radiazioni polarizzate magneticamente, dove una piccola differenza nel tasso di mutazione potrebbe aver favorito l’evoluzione della vita basata sul Dna in una forma chirale, piuttosto che sulla sua immagine speculare», spiega la ricercatrice.
In pratica, l’ipotesi è che all’inizio della vita sulla Terra questa radiazione costante e coerente abbia influenzato l’evoluzione delle forme enantiomeriche di una molecola chirale in modi diversi, aiutando l’una a prevalere sull’altra. In queste circostanze, la piccola ma persistente influenza dei raggi cosmici sulla chiralità avrebbe potuto produrre, nel corso di miliardi di anni di evoluzione, l’omochiralità biologica che vediamo oggi. Come raffigurato nello schema qui sopra, questa influenza sarebbe dovuta in particolare all’effetto ionizzante dei muoni sul Dna di proto-organismi antichi. Al loro interno, questa ionizzazione avrebbe agito preferenzialmente sul Dna di una forma chirale, causandone un tasso di mutazione leggermente diverso che ne ha favorito l’evoluzione.
Globus e Blandford parlano anche di esperimenti che potrebbero aiutare a dimostrare o confutare la loro ipotesi sul coinvolgimento dei raggi cosmici nella omochiralità biologica. Uno di questi, che realizzeranno in futuro, prevede di valutare la risposta biologica dei batteri alle radiazioni con diversa polarizzazione magnetica. I ricercatori attendono anche di analizzare campioni di comete e di asteroidi per vedere in cjhe misura contengono molecole con un bias nella chiralità. Se la loro ipotesi fosse corretta, ciò suggerirebbe che tutte le forme di vita in tutto l’universo condividono la stessa preferenza chirale.
«È un’idea che unisce la fisica fondamentale e l’origine della vita», conclude Blandford. «Indipendentemente dal fatto che sia corretta o meno, collegare questi campi così diversi è eccitante, e un esperimento di successo sarebbe interessante».
Per saperne di più:
- Leggi su Astrophysical Journal Letters l’articolo “The Chiral Puzzle of Life” di Nomie Globus e Roger D. Blandford
Correzione del 22.05.2020: nella versione originale c’era un’equivalenza fuorviante al sistema R,S che ora è stata tolta.