Quanto conta lo spin nucleare nello sviluppo e nel funzionamento dei processi biologici

A causa della rapida perdita di coerenza, i modi in cui il mondo dei quanti e delle particelle subatomiche possono influenzare direttamente il comportamento di oggetti macroscopici, e specialmente quello di organismi viventi, risulta fortemente limitato.

Nonostante questo, diversi tipi di fenomeni quantistici sono alla base di meccanismi importantissimi per la vita che conosciamo: il trasporto degli elettroni nella catena mitocondriale, che ci permette di utilizzare l’ossigeno che respiriamo per ricavare energia, l’efficienza della fotosintesi nelle piante, l’orientamento geomagnetico di certi uccelli migratori sono esempi ben caratterizzati in cui certi fenomeni quantistici controllano lo svolgersi e l’efficienza del processo finale.

Si tratta, tuttavia, di meccanismi molto specifici, i cui dettagli sono cioè strettamente legati al funzionamento di macchine molecolari specifiche; fino ad oggi, cioè, non si è determinato un modo in cui qualche parametro quantistico di un sistema ordinario possa influenzare proprietà di ampio respiro dei sistemi biologici, attraverso interazioni meno specifiche e di più ampia portata con le componenti biochimiche alla base della vita.

Un nuovo lavoro, appena pubblicato su PNAS, sembra invece aver stabilito che uno dei parametri quantistici più improbabili e inattesi in quanto a capacità di avere effetti sugli organismi viventi, lo spin nucleare, potrebbe invece avere un’importanza di ampio respiro sullo sviluppo e sul funzionamento della vita come la conosciamo.

Per lungo tempo, si è pensato che lo spin nucleare non potesse essere discriminato in alcun modo da un organismo biologico, e non potesse avere quindi alcun effetto; invece adesso un gruppo di ricercatori ha dimostrato come la chiralità di una molecola influenza il modo in cui questa interagisce con altri ioni e molecole in base allo spin nucleare di questi ultimi, creando un fenomeno che è stato battezzato “selezione di spin indotta dalla chiralità”.

Facciamo un passo indietro: la chiralità è una proprietà geometrica utile a descrivere la forma degli oggetti, fra qui quella delle molecole biologiche. Un oggetto è chirale, se la sua forma non può essere sovrapposta a quella della sua immagine speculare, come avviene per la nostra mano destra rispetto alla sinistra (chirale, infatti, è parola che deriva dal greco cheiros, mano).

Ora, si dà il caso che molte macromolecole biologiche, e principalmente fra queste le proteine, siano costituite da “mattoncini” chimici con struttura chirale: gli amminoacidi, che sono tutti dello stesso tipo. Se cioè immaginiamo i 20 tipi di amminoacido che compongono le proteine come 20 mani di 20 persone diverse, essi saranno tutti di un solo tipo, il sinistro; il perché questo sia avvenuto è per ora stato spiegato con i meccanismi che hanno dato origine alla loro sintesi nel cosmo, come abbiamo recentemente discusso anche su queste pagine.

Nel nuovo lavoro qui citato, variando lo spin dell’ossigeno nell’acqua, gli autori hanno condotto esperimenti che dimostrano come questo parametro influenza il comportamento di questo solvente fondamentale nelle cellule, per esempio facendo sì che l'acqua entri nelle cellule a velocità diverse e reagisca in modi diversi all’interno degli ambienti chirali costituiti dal nucleo attivo delle proteine con funzione enzimatiche, il “reattore chimico” ove avvengono tutte le reazioni che sostengono la vita.

Se i risultati appena pubblicati saranno confermati indipendentemente e ulteriormente approfonditi, avremo la prova che lo spin nucleare svolge un ruolo cruciale nei processi biologici: non è infatti necessario limitarsi a quello dell’ossigeno nell’acqua, perché effetti di modulazione dell’attività di molecole chirali possono essere connessi anche per esempio allo spin dei metalli nei loro centri catalitici.

Ora, oltre a suggerire un nuovo tipo di interazione molecolare importante per il funzionamento della macchina biochimica che sostiene la vita, se i risultati qui brevemente discussi dovessero risultare definitivi, è chiaro che la discriminazione dello stato chirale di composti come gli aminoacidi da parte dell’acqua e di altre piccole molecole può aver giocato un ruolo fondamentale nell’innescare la selezione evolutiva di quella chiralità meglio in grado di esercitare certe funzioni; e, una volta selezionati almeno alcuni aminoacidi chirali, i vincoli imposti dalla struttura polimerica di proteine complesse spingono fortemente verso la selezione esclusiva di quel tipo, spiegando quanto osserviamo oggi.

Se questo scenario è vero, una delle proprietà fondamentali dei costituenti di base della materia, lo spin, può aver influenzato pesantemente l’emergenza e lo sviluppo della vita nella forma che conosciamo, oltre che contribuire al suo attuale funzionamento in un modo più pervasivo di quanto finora noto per qualunque altro fenomeno quantistico.

Non resta che attendere conferme, anche nella forma auspicata dagli autori di questo interessante lavoro – ovvero nuove applicazioni, in un campo molto specifico come il frazionamento isotopico, ma anche, e soprattutto, nella risonanza magnetica nucleare.