Molecole allo specchio. Il Nobel e l’asimmetria della vita

Una domanda vecchia quasi due secoli: perché la vita ha scelto di essere asimmetrica?

A ben vedere, la vita si fonda su simmetrie imperfette. Molte molecole biologiche, come gli amminoacidi delle proteine, esistono in due forme speculari: una destrorsa e una sinistrorsa, proprio come i guanti. Eppure la vita utilizza soltanto la forma sinistrorsa.

Perché? Non lo sappiamo. È come se, a un certo punto, l’universo avesse prodotto una copia storta e, invece di scartarla, l’avesse usata per costruire la biologia.

La simmetria è uno specchio che ci consente di capire il mondo com’è e perché non è in altro modo. Ci inganna con la perfezione apparente e invece basta spostare un dettaglio per rivoluzionare tutto. Per non parlare delle rotture di simmetria che hanno creato…tutto! Tanto care ai fisici. Ma non divaghiamo.

Il 7 ottobre l'Accademia reale svedese delle scienze ha assegnato il Nobel per la chimica 2026 a Henri B. Kagan e Kenso Soai, per la scoperta degli effetti non lineari e dell'autocatalisi nella sintesi organica asimmetrica. Ciò che ha portato alle scoperte che hanno consentito loro di vincere il Nobel è stato definito: «l’esperimento più bello della chimica organica. Nel loro insieme, le scoperte rivoluzionarie di Henri Kagan e Kenso Soai hanno ridefinito la nostra comprensione della chiralità molecolare: come nasce, si amplifica e si trasmette». Un pezzetto in più per iniziare a rispondere a quel socratico “non lo sappiamo”. Dietro una formula così tecnica e oscura si nasconde una questione quasi filosofica: perché gli esseri viventi sono costruiti con molecole che hanno tutte la stessa mano? Per capire il valore del premio conviene partire da lontano, dai cristalli di acido tartarico che si depositano nelle botti di vino.

Destra e sinistra, ma in versione molecolare
Un indizio nella luce polarizzata. La luce vibra in tutte le direzioni possibili, ma speciali filtri, semplificando, possono lasciar passare soltanto le onde che oscillano su un unico piano: è quel che fanno le lenti Polaroid. Già all’inizio dell’Ottocento un fisico francese, Jean-Baptiste Biot, notò che alcune sostanze, solide o in soluzione, fanno ruotare quel piano di un certo angolo. Sostanze come queste le chiamiamo otticamente attive. Se state pensando alla celebre copertina del celebre album dei Pink Floyd state sbagliando: non si tratta di dispersione e rifrazione, bensì di polarizzazione.

In seguito, nel 1844, il tedesco Eilhard Mitscherlich si trovò davanti a un rompicapo. Due sali derivati dall'acido tartarico, ancora lui, il tartrato e il racemato, avevano la stessa composizione, lo stesso comportamento chimico e perfino la stessa struttura cristallina. Eppure il primo deviava la luce polarizzata e il secondo no. Perché?

Modelli molecolari di due
enantiomeri di un generico amminoacido

Nel 1848 Louis Pasteur[1] era solo un giovane dottorando in cristallografia e, studiando le proprietà ottiche di un composto molto noto agli enologi, l’acido tartarico, scopre la chiralità, caratteristica delle molecole organiche che contengono un atomo di carbonio legato a quattro sostituenti diversi. Un sostituente, in chimica organica, è un atomo o un gruppo di atomi che prendono il posto di un atomo di idrogeno (o di un altro elemento) sulla struttura principale di una molecola.

Una molecola si dice chirale quando non può essere sovrapposta alla propria immagine allo specchio. L'esempio di tutti i giorni sono le mani: la destra e la sinistra sono identiche nella forma, ma nessuna rotazione le fa coincidere se sovrapposte. Nel mondo organico il caso più comune è quello di un atomo di carbonio legato a quattro gruppi diversi tra loro. Le due versioni speculari di una stessa molecola si chiamano enantiomeri e, in un ambiente che non possa influenzarli, si comportano in modo quasi indistinguibile. Quasi: c'è un modo per scoprire la differenza, e riguarda la luce.

Pasteur con le pinzette
Il lavoro di Pasteur fu grandioso. Osservando i cristalli al microscopio, si accorse che quelli del sale otticamente attivo erano tutti uguali, mentre quelli dell'altro erano di due tipi, uno l'immagine speculare dell'altro, presenti in parti uguali. Armato di pazienza e di pinzette, li separò a mano, uno per uno. Ciascun mucchietto, sciolto in acqua, deviava la luce con la stessa intensità ma in senso opposto. Insieme, i due effetti si cancellavano: ecco perché il miscuglio sembrava inerte. Pasteur aveva appena scoperto la chiralità molecolare e, con questa, aperto il cammino alla stereochimica, la parte della chimica che studia come le molecole si dispongono nello spazio. L'idea che gli atomi abbiano un ordine tridimensionale non nasceva dal nulla (Auguste Laurent ne aveva già parlato nel 1836), ma da quel momento diventò un terreno di ricerca vero. Pochi decenni dopo, grazie a nomi come van't Hoff e Le Bel, e all'italiano Emanuele Paternò tra i protagonisti dell'epoca, si arrivò a capire che il carbonio forma legami disposti a tetraedro e che proprio questa geometria è all'origine dell'attività ottica. 

Quando la forma decide tutto
Oggi sappiamo che la forma tridimensionale di una molecola ne governa quasi sempre il comportamento. Una proteina diventa un enzima solo grazie al modo in cui le sue catene di amminoacidi si ripiegano, ed è quella sagoma a farle riconoscere il proprio partner molecolare, come una chiave con la sua serratura.

Qui arriva la sorpresa. In ambiente controllato di laboratorio gli amminoacidi possono esistere in due forme speculari, L e D, lettere che stanno per levogira e destrogira. In tutti gli organismi viventi, però, troviamo praticamente solo la forma L. Gli zuccheri biologici, a loro volta, appartengono a una sola famiglia, e di conseguenza anche gli acidi nucleici, DNA e RNA. La natura ha rotto la simmetria e ha scelto una mano sola. Questa proprietà tra l’altro potrebbe rappresentare una sorta di firma della vita, tant’è che ci sono ricerche tese a determinare i rapporti L/D nella nascente astrobiologia.

Ma tornando sulla Terra, per chi lavora con i farmaci o con i nuovi materiali questo ha conseguenze concrete. Il corpo umano è un ambiente chirale: un enantiomero può calzare perfettamente nel suo bersaglio, mentre il suo gemello speculare può risultare inattivo o, nei casi peggiori, dannoso. Non sorprende che gli enti che si occupano dei controlli, a partire dalla statunitense FDA, richiedano di produrre i farmaci in forma enantiomericamente pura oppure di dimostrare che entrambe le forme siano sicure. E la stereochimica conta anche fuori dalla biologia: la plastica nota come polipropilene isotattico, che valse il Nobel al nostro Giulio Natta nel 1963, deve le sue proprietà proprio all'ordine spaziale della catena. Cos’è il polipropilene isotattico? Ma è il Moplen (!), tanto caro a noi bambini negli anni Sessanta del secolo scorso, per via dei divertenti spot pubblicitari con Gino Bramieri! E mo’? Moplen!

La "scelta"
Resta però un enigma di fondo. Primo: come si fa a produrre in laboratorio uno solo dei due enantiomeri, invece di un miscuglio al cinquanta per cento? Secondo, e più profondo: come può un'asimmetria minuscola, magari dovuta al puro caso, crescere fino a diventare dominio totale di una sola forma?

È qui che entrano in scena i due premi Nobel di quest’anno.

Henri Kagan ha mostrato che negli esperimenti di sintesi asimmetrica le cose non vanno sempre in modo proporzionale. Usando un catalizzatore (un composto chimico che attiva o accelera una reazione altrimenti improbabile ad avverarsi) chirale non perfettamente puro, ci si aspetterebbe un prodotto con una purezza altrettanto sbiadita. In certi sistemi, invece, la relazione è non lineare: le due forme del catalizzatore interagiscono tra loro e il risultato può essere sorprendentemente migliore, o peggiore, di quanto la semplice proporzione lasci prevedere. La non linearità è quel che normalmente si osserva nei sistemi complessi, e se c’è un mondo complesso è proprio quello dei triliardi (e son pochi) di possibilità della chimica organica. Resta il fatto che questa osservazione che ha cambiato il modo di progettare e di interpretare questo tipo di reazioni.

Kenso Soai è andato ancora oltre. Negli anni Novanta ha messo a punto una reazione in cui il prodotto agisce da catalizzatore della propria stessa formazione, ripetendo la propria mano. Partendo da una differenza appena percettibile tra le due forme, il processo la amplifica ciclo dopo ciclo fino a lasciare quasi soltanto un enantiomero. Una piccola sbilanciatura iniziale, insomma, si trasforma in una scelta netta.
Questo non dice quale sia stata la scintilla originaria sulla Terra primordiale, e sarebbe scorretto sostenere il contrario. Dimostra però che un meccanismo chimico in grado di far crescere da solo un lieve squilibrio fino all'asimmetria completa è possibile, e che la rottura di simmetria della vita non richiede per forza eventi straordinari.

Riconoscere la mano giusta

Avere a che fare con enantiomeri significa anche saperli riconoscere. Il metodo più antico è proprio quello di Biot, basato sulla rotazione della luce polarizzata. Oggi si usano tecniche più raffinate come la risonanza magnetica nucleare e la cromatografia chirale, mentre la ricerca lavora su sensori e biosensori sempre più selettivi, capaci di distinguere gli enantiomeri direttamente nelle soluzioni dove si trovano.

E fu grazie alla cristallografia e alla stereochimica Rosalind Franklin fornì il suo fondamentale e rivoluzionario: in particolare per la determinazione della struttura tridimensionale degli acidi nucleici e dei virus. Sebbene storicamente il suo nome sia legato alla celebre Foto 51, i suoi rigorosi calcoli cristallografici hanno fornito i parametri geometrici e stereochimici esatti che hanno permesso di risolvere il mistero della struttura a doppia elica del DNA. Un contributo riconosciutole soltanto da relativamente poco tempo perché il nome della Franklin fu oscurato dal sessismo del mondo scientifico di allora e dalla brama di successo dei più noti James Watson e Francis Crick. Una storia che merita di essere letta perché la Franklin purtroppo morì molto giovane e non fu quindi in grado di dimostrare il suo ruolo fondamentale. 

Un'asimmetria che ci riguarda da vicino

Da un cristallo di tartrato osservato nel 1848 a un Nobel assegnato pochi giorni fa, il filo conduttore è lo stesso: la natura non è speculare, e noi ne siamo la prova. Ogni proteina del nostro corpo è fatta con mattoncini di una sola mano. Che questa scelta sia nata dal caso o da qualche amplificazione silenziosa, come quelle che Kagan e Soai hanno imparato a controllare in provetta, resta una delle domande più belle che la chimica abbia davanti.

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[1] Proprio lui, quello della pastorizzazione, e la cui prima applicazione fu in campo enologico e su richiesta di Napoleone III: trovare un modo per evitare che il vino andasse in aceto! Ma Pasteur usò i suoi esperimenti soprattutto per mettere definitivamente la parola fine alla teoria della generazione spontanea: “Omne vivum ex vivo” diceva e, ancora “nella scienza, il caso favorisce (solo) le menti preparate”.