L’origine della vita è una questione di asimmetria

Tutti gli organismi viventi, per funzionare, si basano su molecole con una determinata forma o, meglio, con una determinata omochiralità.

La chiralità è una proprietà geometrica per cui uno stesso oggetto può esistere in due configurazioni, l’una immagine speculare dell’altra: ciascuna delle due forme si chiama enantiomero e per distinguerle si usano le lettere L (levogira) e D (destrogira). Tra gli esempi di oggetti chirali ci sono le nostre mani, con la destra che è speculare e non sovrapponibile alla sinistra. Una struttura simmetrica e sovrapponibile alla sua immagine speculare (una palla) si dice achirale.
La vita è dominata da molecole chirali, anzi omochirali cioè tutte con la stessa conformazione, e infatti tutti gli zuccheri che formano il DNA sono D e tutti gli amminoacidi nelle proteine sono L.

Luca Legnani è a San Diego per studiare il fenomeno dell’omochiralità negli esseri viventi dal punto di vista chimico. L’obiettivo della sua ricerca è capire perché la vita si basa su un unico tipo di enantiomero e come è avvenuto il passaggio da un universo simmetrico, achirale, a una vita asimmetrica, chirale.

Nome: Luca Legnani
Età: 29 anni
Nato a: Saronno (VA)
Vivo a: San Diego (Stati Uniti)
Dottorato in: chimica organica (Mülheim an der Ruhr, Germania)
Ricerca: L’origine dell’omochiralità (ambito origine della vita)
Istituto: The Scripps Research Institute (San Diego, Stati Uniti)
Interessi: ciclismo, correre, leggere
Di San Diego mi piace: l’oceano, in generale la natura a portata di mano
Di San Diego non mi piace: le distanze, l’individualismo della società
Pensiero: Distillare è bello. Prima di tutto perché è un mestiere lento, filosofico e silenzioso, che ti occupa ma ti lascia tempo di pensare ad altro, un po’ come l’andare in bicicletta. (Primo Levi, Il sistema periodico).

Quali sono i meccanismi alla base della chiralità?

Un principio fondamentale della chimica è che se in una reazione non abbiamo alcun elemento chirale che trasmetta la chiralità, si ottiene è una miscela racemica (50:50) di enantiomero L e D. Se, invece, è presente un reagente chirale, può esserci prevalenza di una delle due conformazioni.

All’origine della vita, però, l’universo era formato da molecole molto semplici, simmetriche, achirali, come diossido di carbonio, ammoniaca, idrogeno, acqua: non c’era nessun timbro di chiralità in grado di introdurre questa informazione. Eppure i mattoncini della vita (amminoacidi e zuccheri) sono al 100% omochirali. Allora la questione è: da dove è venuta questa chiralità? Come si è rotta la simmetria iniziale? Perché la vita non può essere speculare, e gli amminoacidi su cui si basa sono tutti L (e non D) e gli zuccheri D (e non L)? Il primo germe di vita aveva casualmente questa conformazione, che ha semplicemente trasmesso, oppure ci sono altri motivi alla base della sua chiralità?
Con la mia ricerca cerco di rispondere ad alcune di queste grosse domande.

Quali sono le ipotesi più studiate per spiegare tutto il processo?

In generale i chimici si sono focalizzati su tre diversi passaggi.
Il primo riguarda i processi di rottura della iniziale simmetria dell’universo, quelli per cui da una miscela racemica (50:50) si è arrivati in qualche modo a una prevalenza di uno dei due enantiomeri. Le ipotesi prendono in considerazione anche un’origine extraterrestre; secondo uno studio di esobiologia, infatti, la prima informazione chirale potrebbe non essersi formata sul nostro pianeta ma venire dallo spazio. E ancora, ci sono ricerche che studiano come la luce polarizzata potrebbe aver selezionato un certo enantiomero di amminoacido, rompendo così l’equilibrio racemico della miscela di partenza.

Il secondo passaggio riguarda i processi che portano all’arricchimento di un certo enantiomero: ci sono modelli che chiamano in causa reazioni di cristallizzazione e mostrano come, agitando molto vigorosamente una sospensione basica di amminoacidi, si può raggiungere una proporzione di 99,999:0,001 di un certo enantiomero.

Infine c’è il terzo processo, quello per cui l’omochiralità si è trasmessa alle molecole della vita e per cui le proteine sono formate solo da amminoacidi L e il DNA solo da zuccheri D. La mia ricerca è focalizzata su questo terzo passaggio e su una particolare reazione, la sintesi di Streker. Vogliamo capire come funziona l’interazione tra amminoacidi e zuccheri e come, partendo da un comune precursore simmetrico e in presenza di zuccheri D, si producano amminoacidi L.

Che tipo di zuccheri stai studiando?

Quelli a cinque atomi di carbonio (ribosio, arabinosio, lixosio, xilosio) e voglio capire come si comportano rispetto sia agli zuccheri con sei (glucosio, fruttosio) sia a quelli più corti, con quattro atomi (eritrosio, treosio).
In pratica unisco lo zucchero a plausibili precursori prebiotici di amminoacidi, ovvero miscele di molecole che potrebbero esser state presenti nel brodo primordiale, e analizzo sia gli intermedi che i risultati: se ottengo un amminoacido L vuol dire che l’informazione chirale dello zucchero è stata trasmessa e che ciò è successo in una certa direzione, da D a L.

Ci sono aspetti molto affascinanti in questa ricerca. Lavorando con candidati non certi ma solo plausibili abbiamo, in pratica, una fonte inesauribile di materiale di partenza; il rovescio della medaglia è che non potremo mai dire con assoluta certezza che un certo componente c’era ed era importante per le prime reazioni chimiche. E, da un punto di vista strettamente chimico, è vero che possiamo usare diversi reattivi ma alla fine dobbiamo sempre lavorare in acqua altrimenti non sarebbe più prebioticamente plausibile.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Vorrei capire come sviluppare un ciclo: noi usiamo dei precursori che, in presenza di zuccheri D, danno amminoacidi L; e sappiamo che gli amminoacidi L influenzano la formazione di zuccheri D (reazione del formosio). Sarebbe bello riuscire a unire queste due reazioni e creare una specie di ciclo che si autoalimenta e che porta alla formazione di sempre più informazioni chirali nella “giusta” direzione.
Le applicazioni più interessanti riguardano i processi di auto-assemblaggio, un po’ come le “macchine molecolari” di Ben Feringa, premio Nobel per la chimica nel 2016.

Infine, vorrei studiare l’eventuale influenza dei sali metallici su questo tipo di reazioni: il ferro, per esempio, è un elemento molto abbondante nella crosta terreste è potrebbe fungere da catalizzatore per tutta una serie di reazioni importanti per la vita.

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