Interfaccia tra inorganico ed organico 

BIO – Medicina Costruzione Sociale nella Post-Modernità – Educational Papers • Anno V • Numero 20 • Dicembre 2016

Introduzione

Raccontare ciò che oggi chiamiamo vita, senza prendere in considerazione la conoscenza odierna in materia, ci farebbe sprofondare in un’infinità di racconti mitologici (e non) circa la sua origine. Nel nostro tempo, secondo l’interpretazione contemporanea secolarizzata, essa è, genuinamente, qualcosa che esiste da eoni¹ ma che solo di recente è stato sperimentalmente concettualizzato dalla coscienza sociale umana. Quel qualcosa è ciò che oggi chiamiamo “genoma”, cioè “divenire”². La sua esistenza, la sua importanza e la sua complessità, come artefatto naturale, e la grande abbondanza e varietà delle sue manifestazioni, è la storia della vita stessa. Il genoma è antico e moderno, di età superiore al nostro più remoto antenato e ancora più “giovane” di un bimbo appena nato, questa completezza del DNA, contenuto in ogni cellula di un organismo vivente, che sia unicellulare o pluricellulare, ha coperto il nostro pianeta, finora, con i suoi organismi, per oltre 1027 miliardi di volte³.

Ma la nascita del genoma (complesso di geni di una cellula o di un organismo) coinvolge più “sesso” che il romanzo più pornografico che si possa mai immaginare, ossia comporta iniziare dalla narrazione dei primordi della vita, piena di scene di azioni incredibili, innumerevoli contese tra l’inorganico e l’organico, selvagge improbabilità che si rivelano essere vere e, anche, travolgenti successi a fronte di probabilità sconcertanti⁴. Una sua rivisitazione può diventare, in parte, la nostra storia ancestrale. Così come la storia del genoma (evoluzione e selezione naturale) rivela un vivace passato che ci ha portato ad un futuro preferibile e migliorabile. 

Attraverso la sua abbondanza, precisione e diversità, il genoma si è adattato al mondo “fisico”, risolvendo, ripetutamente, un piccolo numero di problemi fondamentali, tramandando le risposte e, a volte, riscoprendo soluzioni che si erano perse. Vediamo questi problemi risolti, in prima istanza, biologicamente, mediante il processo dell’evoluzione. Ma come tutto è iniziato? Come la natura trasformò materiali inorganici in sostanza organica? La rete di interazioni naturali che hanno condotto alle prime forme di vita comincia nell’ADEANO, era dominata dal calore, circa 4.600 milioni di anni fa⁵. L’ADEANO è l’eone definito per la prima volta dal geologo Preston Cloud nel 1972 allo scopo di dare un nome al periodo antecedente la formazione delle rocce più antiche sulla Terra (sostanza ancora inorganica). 

Come l’organico deriva dall’inorganico? selezione tra atomi e molecole

L’era geologica dell’ADEANO è quella di un mondo ancora privo di forme di vita organica. Se una cellula vivente fosse così sfortunata da viaggiare, ipoteticamente, indietro nel tempo e ritrovarsi poi nel paesaggio geologico dell’ADEANO, tutta la sua acqua verrebbe vaporizzata e la sua preziosa complessità di materia vivente verrebbe tostata e, poi, mineralizzata, trasformando le sue delicate impalpabili proteine in carbone (grafite), vapore acqueo ed altri prodotti di scarto. 

Prima dell’ADEANO, tutta la strada fino ai tempi del, cosiddetto, Big Bang⁶, l’universo era composto quasi interamente da nuclei di idrogeno, il più semplice di tutti gli elementi, primo elemento chimico della tavola periodica, il più leggero, con numero atomico 1 e simbolo H, nucleo composto da un solo protone e un solo elettrone esterno. Seguendo la teoria, basata nei modelli di simulazione sperimentali, i protoni dell’idrogeno, collidendo e fondendosi tra loro, avrebbero formato i nuclei di elio (2 protoni). Successivamente, all’interno degli ammassi stellari (tra i quali la Terra), questi nuclei di elio, fondendosi, a loro volta, formavano carbonio (6 protoni). I nuclei di carbonio, poi, entrati nel, cosiddetto, ciclo carbonio-azoto, nel quale, prendendo ancora idrogeno e con l’aggiunta di azoto (7 protoni) e di ossigeno (8 protoni), avrebbero catalizzato la formazione di ancora più elio. Successivamente, il nuovo elio produceva, come prima, più carbonio. Il risultato netto di tutto questo processo fu che nell’astro caldo del nostro pianeta in evoluzione il carbonio catalizzava⁷ la formazione di copie di se stesso. Queste TRASFORMAZIONI TERMONUCLEARI, che si sarebbero verificate a temperature molto elevate all’interno di astri nascenti (come la Terra), furono accompagnate dal rilascio di enormi quantità di ENERGIA sotto forma di particelle radioattive, quali raggi gamma, fotoni, positroni e neutrini e, anche, naturalmente, dal calore e dalla luce che, tutti assieme, adirono alla VITA sul nostro pianeta⁸. 

Il processo che compone il CICLO CARBONIO-AZOTO⁹ può essere pensato come una FORMA DI SELEZIONE NATURALE per le reazioni favorevoli e per le FORME ELEMENTARI STABILI (come gli ATOMI e i loro isotopi). Questi processi sembrano analoghi alla mutazione e alla selezione delle specie viventi e, ancora più tardi (era odierna), alla mutazione e alla selezione di organismi sintetici. Ad oggi, quei cinque elementi primordiali (idrogeno, elio, carbonio, azoto e ossigeno), degli ottanta elementi stabili conosciuti, sono i più abbondanti nell’universo¹⁰.

Un elenco di tali ELEMENTI ATOMICI (sostanze che chimicamente non possono essere suddivise ulteriormente) è un prerequisito per la comprensione del prossimo livello di selezione di complessità: la combinazione di questi ATOMI DI BASE (inorganici), successivamente inseriti in un contesto organico tramite processi evolutivi e selettivi prodotti dalla NATURA stessa, hanno formato le prime molecole organiche¹¹.

Antoine Lavoisier scrisse il primo elenco completo degli elementi nel primo testo di chimica moderna, Traité élémentaire de chimie, nel 1789. Egli elencò trentuno elementi in tutto, insieme con la luce e il “calorico” (il calore), che costituiscono un totale di trentatré “sostanze semplici appartenenti a tutti i regni della natura, che possono essere considerati gli elementi dei corpi”¹². Come Lavoisier li presentò: 

Ogni elemento nella tabella è seguito dalla sigla che viene comunemente utilizzata nella maggior parte dei rami della scienza, e ,anche, all’interno della cultura generale – per esempio, H₂O (acqua), NaCl (cloruro di sodio) e CO₂ (anidride carbonica). Jöns Jakob Berzelius, che sviluppò un interesse per la chimica in medicina, introdusse questi simboli nel 1813. Al 1818, aveva misurato le masse di quarantacinque elementi conosciuti all’epoca. Un minimo di sei di questi elementi può già essere sufficiente per creare le principali molecole della vita: S, C, H, P, O, N (zolfo, carbonio, idrogeno, fosforo, ossigeno e azoto – ombreggiati in grigio nella tabella). Questi sono gli elementi più abbondanti nei sistemi viventi. Altri elementi necessari sono gli ioni metallici, come il magnesio (Mg), ioni coinvolti in reazioni chiave nei sistemi viventi¹³. 

Tornando ai primordi della vita, questi elementi inorganici, chimicamente, si combinarono tra loro per formare MOLECOLE, come l’acqua, quando la neo formata terra si raffreddò. La COMPRENSIONE DI QUESTE COMBINAZIONI ci apre a simulazioni che ci consentono di abbozzare ipotesi circa COME SIA NATO l’organico dall’inorganico[efn_noteRegis, Ed. WHAT IS LIFE? Investigating the Nature of Life in the Age of Synthetic Biology. Ferrar, Straus and Giroux. New York, 2008.[/efn_note]. Per capirlo, abbiamo bisogno di esplorare l’universo delle SOSTANZE CHIMICHE SEMPLICI, non organiche. Per quanto ci è noto, le proprietà fisiche e chimiche degli elementi sono impostate, in gran parte, dalle particelle nel nucleo (nonché da quelle della nube di elettroni esterna) ma non dalla disposizione specifica di tali particelle nel nucleo stesso. Ad esempio, importa solo che ci sono sei protoni nell’atomo di carbonio, l’esatta relazione strutturale tra i protoni è irrilevante. Questi sei protoni, indipendentemente da come sono disposti nel nucleo, attraggono e trattengono un numero equivalente di elettroni della nube di elettroni che li circonda¹⁴. 

Nelle molecole, invece, la disposizione fisica degli atomi componenti è cruciale. Ad esempio, una molecola d’acqua, H2O, non è solo dieci protoni e dieci elettroni confezionati insieme in modo casuale. L’ordine degli atomi e la loro forma è una questione rilevante. L’acqua (H₂O) è una molecola dipolare formata da 2 atomi di idrogeno e 1 atomo di ossigeno legati da un legame covalente. 

L’angolo di legame della molecola d’acqua, 104,5°, e la differenza di elettronegatività tra H ed O conferisce una forte caratteristica ionica al gruppo OH che comporta a sua volta un momento di dipolo elevato (ogni elettrone, carico positivamente, rispettivamente per ogni atomo di idrogeno e i due, più esterni, dell’atomo di ossigeno, carichi negativamente). La molecola d’acqua è, quindi, una molecola fortemente polare che conferisce buone interazioni con gli ioni. Il legame a idrogeno è, in effetti, un legame elettrostatico intermolecolare tra molecole d’acqua ma anche per altre molecole¹⁵. 

Nella molecola d’acqua ogni atomo di idrogeno si legherà covalentemente (legame forte) ad un solo atomo di ossigeno, e la polarità della molecola rende possibile che l’acqua si leghi ad altre molecole d’acqua od ad altre molecole polari (ossia con cariche positive che attireranno l’ossigeno e negative che attireranno l’idrogeno). Ogni atomo di idrogeno di una molecola d’acqua tenderà a legarsi con legami semplici ad un solo atomo di altra molecola con carica negativa, mentre l’ossigeno, con due cariche elettronegative, né farà due di legami con atomi elettropositivi, l’azoto tre, il carbonio quattro. 

Consideriamo ora la molecola dell’etere dimetilico, CH₃-O-CH₃, ed esaminiamone i legami: l’ossigeno ha due legami singoli, uno per ogni atomo di carbonio, ogni atomo di carbonio ha quattro legami, tre con l’idrogeno e uno con l’ossigeno centrale. 

Ora siamo in grado di illustrare l’importanza della disposizione spaziale. Se conserviamo tutti i nove atomi componenti ma li riorganizziamo un po’, come nel caso della molecola CH₃CH₂OH, si ottiene un insieme radicalmente diverso di proprietà fisiche e chimiche della molecola chiamata etanolo¹⁶.

Questo semplice riordinamento dall’etere dimetilico, che bolle a -24 gradi C°, ci da l’etanolo che bolle a +78 gradi C°. 

Queste molecole ri-arrangiate sono chiamate ISOMERI di ciascuna. L’etanolo è un isomero dell’etere dimetilico: ogni molecola ha due atomi di carbonio, sei di idrogeno e uno di ossigeno, ma diversamente disposti¹⁷.

Fu BERZELIUS, chimico del XVIII secolo, a coniare termini chimici che definissero i rapporti tra elementi e composti, quali: catalisi (fenomeno di variazione della velocità di una reazione in rapporto alla presenza di una sostanza, catalizzatore, che rimane inalterata), polimero (macromolecola costituita da un numero elevato di piccole unità strutturali chiamate monomeri) e isomero (composti diversi, ciascuno con proprietà fisiche e chimiche proprie, che hanno tuttavia la stessa composizione chimica e quindi la stessa formula chimica bruta ma formule di struttura differenti )¹⁸. BERZELIUS è stato anche il primo a riconoscere la differenza tra composti organici, che erano derivati solo da materia vivente, da tutte le altre sostanze chimiche, che egli mise insieme come “inorganico”¹⁹. Questa distinzione ha contribuito notevolmente alla nostra comprensione della vita e determinò, paradossalmente, la fase di indagine critica sul VITALISMO, la teoria che postulava che la vita e i suoi processi non erano riducibili alle leggi della fisica e della chimica. Lo stesso BERZELIUS ancora credeva che qualcosa di non fisico o chimico teneva distinte la materia vivente dalla materia non vivente. Il lavoro fatto in quattro aree – la sintesi dell’urea, la ricerca sulle molecole specchio, la ricerca di polimeri (specialmente dei polimeri di DNA / RNA) e l’auto-riproduzione delle molecole, permette oggi di sostenere il contrario²⁰. 

Friedrich WÖHLER, protetto di Berzelius, si approcciò anche lui alla chimica attraverso lo studio della medicina. Nel 1828 WÖHLER divenne la prima persona a sintetizzare un composto organico, L’UREA, da una sostanza inorganica, il cianato di ammonio. Ma allora ciò era più inspiegabile, in parte, perché la descrizione delle sostanze chimiche come modalità precise di atomi non era stata ancora messa in evidenza dagli esperimenti. In secondo luogo, all’epoca si pensava che l’urea provenisse solo dalle urine di alcuni vertebrati e, meno evidente, al momento, da altre specie²¹. Ammonio e cianato erano considerati come componenti inorganici dei minerali²².

La sintesi dell’urea di Wöhler è stata, probabilmente, la prima grande sfida per il vitalismo. Infatti si trattò di un duro colpo per i vitalisti, i quali affermavano che la chimica degli organismi viventi fosse fondamentalmente differente da quella della materia inanimata. Da allora, i ricercatori hanno cercato di costruire sempre più complessi sistemi viventi organici da semplici atomi e molecole inorganiche. Con il senno di poi, l’urea, CO(NH₂)₂ , è stato un caso molto semplice (composto da soli otto atomi, 1 di carbonio, 4 di idrogeno, 1 di ossigeno e 2 di azoto) ed è stato, quindi, un caso pronto per il successo, in questa prima delle cinque grandi sfide al vitalismo – sfide che riflettono pietre miliari nella biologia pratica e sintetica²³. 

La seconda sfida al vitalismo riguarda il fenomeno della “CHIRALITÀ”²⁴ delle molecole – una caratteristica distintiva dei sistemi viventi. La sfida è determinare se la “CHIRALITÀ” naturale può sorgere spontaneamente o essere invertita e, in caso affermativo, quali sarebbero le conseguenze²⁵. 

La CHIMICA DELLA VITA si basa su polimeri ottenuti collegando molecole semplici (monomeri) insieme in sequenze lineari: i polimeri – come i testi scritti fatti in sequenze lineari di lettere. Monomeri e polimeri condividono la radice comune “mer”, dall’antico greco meros, “parte”. Un monomero, di conseguenza, è una singola molecola (una parte), mentre un polimero (molte parti) è una struttura molecolare composta da molte unità molecolari simili legate insieme. Ad esempio, gli aminoacidi sono monomeri, mentre combinazioni di aminoacidi sono polipeptidi (noti anche come proteine), che sono polimeri. Le grandi molecole conosciute come l’RNA e il DNA sono polimeri (poli-nucleotidi) composti da molte sub-unità molecolari semplici note come nucleotidi (ciò vale anche per gli zuccheri e i lipidi). I polimeri – polipeptidi o polinucleotidi – possono legarsi tra loro e catalizzare la formazione di altri polimeri così come succede per il metabolismo²⁶ degli altri componenti di base degli esseri viventi. Un solo errore di battitura, in una sequenza di bio-polimeri, potrebbe rendere il polimero non funzionale e non vivente²⁷. Quindi, la terza sfida al vitalismo era quella di scoprire se tali sequenze, lunghe e precise, di polipeptidi e polinucleotidi, potessero sorgere spontaneamente e possedere le funzioni della vita, quale la catalisi. Ancora più provocatoria, la questione era sapere se nuovi tipi di vita, senza legami con le modalità della vita antica, cioè forme di vita artificiali o sintetiche, potessero esistere²⁸.

La quarta sfida al vitalismo sarà determinare se una struttura chimica , completamente sintetica, possa copiare se stessa ed evolvere (cioè, cambiare con il tempo) e, così facendo, prolungare la propria sopravvivenza. La quinta sfida al vitalismo sarà sapere se la coscienza (o mente) può sorgere sinteticamente²⁹.

È la chiralità biologica essenziale alla vita? quali sono le conseguenze di invertirla?

Questa sezione prenderà in considerazione la seconda sfida al vitalismo: la chiralità bio-molecolare. Ci sono dei motivi validi per prestare attenzione alla chiralità³⁰. In primo luogo, quando si ispezionano dei meteoriti ed altro materiale caduti sulla Terra dallo spazio, si cerca un eccesso di molecole con la stessa disposizione molecolare, cioè un eccesso di molecole con la stessa chiralità (omochilarità³¹)³²,³³. Nello spazio ci sono più molecole di una specifica chiralità rispetto ad un’altra. Questo significa, allora, che la vita sia nata lontano ed è atterrata qui? O meglio, che sia più probabile che una specifica disposizione molecolare emerga spontaneamente e sopravviva? La risposta a questa domanda ha profonde implicazioni per il nostro posto nell’universo e le nostre interpretazioni sociali circa eventuali significati della vita³⁴.

In secondo luogo, le due differenti chiralità, cioè le due disposizioni molecolari diverse (mancina- sinistrorsa o destrorsa) hanno diversi effetti farmacologici. Il farmaco talidomide è stato utilizzato in Europa tra il 1957 e il 1961 per il trattamento della nausea e vomito in donne in gravidanza. La talidomide è stata fatta chimicamente e non biologicamente e, quindi, entrambe le chiralità sono state effettuate in quantità relativamente uguali. Si scoprì poi che una chiralità (o disposizione molecolare) curava i sintomi descritti, mentre l’altra chiralità causava gravi malformazioni agli arti nel feto in via di sviluppo³⁵. 

In terzo luogo, le sostanze chimiche le cui molecole esistono in una sola disposizione spaziale (omochilarità) tendono ad essere più economicamente importanti di quelle che sono miscele di molecole aventi una disposizione naturale insieme a quelle delle loro immagini speculari. Le versioni “innaturali” sono più dispendiose rispetto ai biosistemi.

In quarto luogo, l’oceano contiene una grande massa di carbonio intrappolato in forma di sostanza organica disciolta “recalcitrante” (RDOM = RECALCITRANT DISSOLVED ORGANIC MATTER), molto della quale consiste di forme speculari della facilmente riciclabile (non recalcitrante) materia. La chiralità di queste molecole di carbonio intrappolate le induce a persistere in mare per millenni³⁶. 

In quinto luogo, la possibilità di invertire la chiralità di polimeri utili, quali cellulosa, lana e seta, potrebbe ritardare il loro decadimento. Le plastiche biodegradabili possono finire per essere viste come una protezione. Il percorso abituale di biodegradazione avviene attraverso il rilascio di anidride carbonica, che è, attualmente, un risultato sgradito. Inoltre, l’energia, normalmente spesa nel riciclaggio o nella sostituzione di prodotti dei polimeri degradati, potrebbe essere salvata, in alcuni casi³⁷.

In Sesto luogo, una cellula o un organismo speculare (che si compone di sostanze chimiche di chiralità invertita) potrebbero essere resistente a tutti o quasi i parassiti e predatori, un risultato estremamente prezioso³⁸.

Perché la chilarità bio-molecolare è così importante, in cosa consiste? Convogliamo la risposta, su un semplice esempio: le nostre mani, destra e sinistra sono immagini speculari l’una dall’altra e non sono collegate da semplici rotazioni. Se premiamo la nostra mano destra su uno stampo morbido, scopriremo che non possiamo adattare la nostra mano sinistra nello stampo. Tuttavia, se riempiamo lo stampo con gesso, la nuova copia sarà complementare e avrà la stessa chilarità delle nostre mani. Questo stesso fenomeno esiste a livello molecolare. Per esempio, ci sono due modi per organizzare i quattro atomi che possono legarsi all’atomo di carbonio, e ciascuno sarà immagine speculare dell’altro. Inoltre, ciascuno avrà proprietà prevedibilmente simili³⁹.

Questa caratteristica della disposizione molecolare verso sinistra o verso destra, non sovrapponibile specularmente, è conosciuta come CHIRALITÀ (dal greco χείρ, cioè “mano”). Anche i ricercatori che non si interessano ai mondi speculari mostrano inizialmente grande confusione riguardo se le proprietà delle versioni speculari delle molecole, delle cellule e dei corpi, possono essere previste con precisione in base alle proprietà delle loro versioni non speculari. 

Ad esempio, gli aminoacidi hanno una chilarità nota. In natura, per ragioni ancora sconosciute, quasi tutte le biomolecole preferiscono enormemente una delle due omochiralità (ad esempio aminoacidi e proteine si presentano come mancine). La vita stessa, in un certo senso, “utilizza” fondamentalmente un’omochiralità. La chilarità che viene normalmente vista nelle proteine naturali è quella mancina, come già accennato e la loro versione speculare è quella destrorsa⁴⁰.

A questo punto ci si potrebbe chiedere circa il valore effettivo di questa chiralità. La sua importanza è legata ad una congettura teorica di importanti CONSEGUENZE PRATICHE. Così come ci possono essere “MOLECOLE ALLO SPECCHIO”⁴¹. ci può anche essere “VITA ALLO SPECCHIO”. La vita allo specchio sarebbe il risultato di cambiare la chiralità di un intero organismo in tutti i suoi componenti, in modo da averne un’immagine speculare, dal livello macro (fisico) fino al livello atomico. Mentre la vita allo specchio può sembrare identica alla vita attuale [reale], essa sarebbe radicalmente diversa in termini di resistenza ai virus naturali e ad altri patogeni. Le FORME DI VITA SPECULARI [allo specchio] sarebbero IMMUNI DA VIRUS E DA ALTRI AGENTI PATOGENI.  La ragione sarebbe che le interazioni molecolari della vita sono estremamente sensibili alla disposizione speculari dei loro atomi e delle loro molecole componenti, di conseguenza i virus normali non riconoscerebbero un organismo speculare come una forma di vita vera da invadere e infettare. Tale resistenza multi-virale sarebbe un vantaggio incredibile per l’umanità. Ma ciò avverrebbe a caro prezzo perché la vita allo specchio non sarebbe in grado di digerire gli alimenti per mezzo di enzimi normali, il che significherebbe che ci sarebbe bisogno di sviluppare, coltivare e produrre una vasta gamma di “prodotti alimentari con molecole allo specchio”⁴². 

La prospettiva di esseri umani speculari [o esseri umani allo specchio] solleva possibilità insolite e sorprendenti. Supponendo una transizione a una versione speculare degli esseri umani, ad un certo punto in un lontano futuro, il passaggio sarebbe graduale, con un sostanziale periodo di interregno in cui esisterebbero due tipi di esseri umani: gli esseri umani naturali, composti da molecole a disposizione naturale, e gli esseri umani allo specchio, costituiti dalle loro versioni speculari. In una tale situazione sarebbe come se due specie umane esistessero simultaneamente. Oppure potremmo vedere un equilibrio tra i due tipi umani se degli agenti patogeni speculari emergessero⁴³.

Questi umani speculari, come gli umani non speculari (naturali), potrebbero avere figli ma i bambini che, eventualmente, produrrebbero richiederebbero quello che oggi sarebbe considerato uno sforzo straordinario. Tuttavia, dal momento in cui saremmo in grado di ingegnerizzare degli esseri umani allo specchio, avere figli di entrambi i tipi non sembrerà così difficile come appare oggi. Per ipotesi, potremmo anche essere in grado di ingegnerizzare gemelli speculari o singoli umani che siano una mescolanza di entrambi i tipi di molecole⁴⁴.

Ma ingegnerizzare una razza di umani allo specchio non è senza rischi. Anche se le molecole allo specchio, ingegnerizzate, interagirebbero con le versioni esistenti di molecole speculari in modo prevedibile, il modo in cui interagirebbero con le biomolecole, in generale, è imprevedibile. Tuttavia, tale modo di interagire non è più prevedibile di qualsiasi nuovo farmaco di sintesi. Al riguardo, attenti screening di molecole speculari con metodi computazionali o con esperimenti fuori da laboratori saranno necessari per garantirne la sicurezza⁴⁵.

Louis PASTEUR ebbe il primo sentore circa quello che la CHIRALITÀ chimica naturale fosse. Egli ebbe questa comprensione eseguendo ciò che la rivista Chemical and Engineering News una volta indicò come l’”esperimento più bello nella storia della chimica”⁴⁶.

Pasteur è ricordato soprattutto per il suo contributo alla microbiologia – soprattutto per aver inventato la pastorizzazione, scoprendo “l’effetto Pasteur” (la crescita anaerobica degli organismi), per aver sviluppato i primi vaccini contro la rabbia e l’antrace e per aver contribuito alla comprensione della fermentazione, nonché per i suoi esperimenti a sostegno della teoria dei germi circa l’origine della malattia. Tuttavia, i suoi primi successi sono altrettanto pervenuti dal suo lavoro come cristallografo. Nel 1848, il fisico Jean Baptiste Biot sponsorizza Louis Pasteur nei suoi primi esperimenti presso l’École Normale di Parigi⁴⁷.

Questa è una storia sul tartaro, un prodotto chimico ottenuto dall’uva (tartaro è il nome generico dato dagli alchimisti ai sali dell’acido tartarico come, ad esempio, il tartaro d’antimonio, il tartrato acido di potassio o cremor tartaro…). La chiralità dell’acido tartarico è stata invece scoperta nel 1832 da Jean-Baptiste Biot, che osservò la sua capacità di ruotare la luce polarizzata. Storicamente, con il termine di acido racemico (dal latino racemus, “grappolo d’uva”) veniva definito un sottoprodotto otticamente inattivo della cristallizzazione dell’acido (+)-tartarico. Nel 1838 Biot aveva trovato che l’acido tartarico, a differenza del suo isomero, l’acido racemico, era otticamente attivo, nel senso che ruotava il piano di un fascio di luce polarizzata. Entrambi gli isomeri sono presenti nel vino, quest’ultimo, l’acido racemico, in sedimenti o riscaldando l’acido tartarico. Questi due acidi furono uno dei primi esempi di una coppia di isomeri⁴⁸ e risultarono essere inusuali, in quanto quasi tutte le loro proprietà fisiche e chimiche erano identiche tranne che per la loro solubilità e la loro capacità di ruotare la luce polarizzata⁴⁹. 

Pasteur mostrò per primo che una miscela uguale delle due forme di sale di acido tartarico (acido tartarico e acido racemico)spontaneamente si separano in piccoli cristalli. Egli separò questi cristalli microscopici con pinzette e poi li sciolse e mostrò che le soluzioni ruotavano la luce polarizzata in direzioni opposte. Questa proprietà ottica, chiave, è indipendente dagli orientamenti delle molecole, poiché in una soluzione le molecole possono assumere tutte i possibili orientamenti. Inoltre, egli fece la profonda osservazione che l’acido tartarico proveniente da sistemi naturali (lievito dalla sua vinificazione) veniva in solo una delle due predisposizioni delle molecole (chilarità), ossia la versione mancina. Da allora abbiamo appreso che questa propensione per un’omeochiralità è una caratteristica della maggior parte delle molecole che sono componenti dei sistemi viventi⁵⁰.

“Omne vivum ex vivo”: [ogni vivente (deriva) da un vivente], l’irriducibilità della materia vivente a qualsiasi cosa non vivente, diventò una delle più forti convinzioni di Pasteur. In effetti, il ruolo incisivo di Pasteur nel sfatare la teoria della “generazione spontanea della vita”⁵¹, nel 1859, potrebbe essere interpretato come ugualmente volta a puntellare l’idea che le forme viventi delle sostanze chimiche non potessero essere sintetizzate. Quest’idea fu contestata dal chimico Marcelin Berthelot, che credeva nel potere della chimica di sintesi e delle sostanze organiche sintetizzate sperimentalmente che non si presentavano in natura. La controversia tra Pasteur e Berthelot non fu regolata fino al 1971, quando H. P. Kagan ha sintetizzato gli eliceni, molecole a forma di elica, seguendo i postulati di Le Bel, risalenti al 1874, riguardanti la sintesi asimmetrica, utilizzando luce circolarmente polarizzata. 

Il futuro della chiralità è luminoso e pieno di promesse, includendo la sintesi di cellule allo specchio che ci daranno l’accesso a sostanze chimiche e materiali di pregio così come a cellule che resisterebbero alla maggior parte del degrado biologico. Il calore può, spesso, invertire la chilarità di una data molecola, e una classe di enzimi chiamata racemasi⁵² possono fare lo stesso. Il modo più ovvio di CREARE UNA CELLULA ALLO SPECCHIO (o cellula speculare) potrebbe essere quello di sintetizzare le versioni speculari di tutte le molecole viventi e poi assemblarne le parti nelle disposizioni spaziali modificate in una cellula completa e sperare che si replichino⁵³.

La difficoltà di tale compito diventerà più evidente in un prossimo articolo, ma per ora si vogliono considerare le implicazioni, indipendentemente dal percorso. Infatti la sintesi completa di una forma di vita allo specchio, a partire dagli atomi, sarebbe il prossimo, e forse ultimo, passo nel rovesciamento del vitalismo⁵⁴. 

La creazione di un MONDO ALLO SPECCHIO [speculare] potrebbe darci nuove prospettive sulla vita, una PROSPETTIVA DI TROVARCI LIBERI DA MALATTIE e liberi da specie infestanti e indesiderate, ma ci potrebbe anche rendere soggetti a CONSEGUENZE INDESIDERATE quali trasformare troppa anidride carbonica in RDOM, [Recalcitrant Dissolved Organic Matter / sostanza organica disciolta recalcitrante], o favorire la proliferazione di enzimi che potrebbero attaccare la nostra nuova vita, specchio – enzimi che sono attualmente rari, ma, in un certo senso, sono in attesa di giustificazione, eventualmente, nel caso si avvii la loro duplicazione, diversificazione e ottimizzazione. Un’altra implicazione profonda è che stiamo raddoppiando il numero di sostanze chimiche chirali nel nostro bagaglio di trucchi. Poiché molte sostanze chimiche hanno più di un atomo chirale, il numero di nuovi composti potrebbe essere esponenziale – alto come 2N dove ci sono N atomi con la proprietà dell’asimmetria speculare. Questo potrebbe essere particolarmente evidente nei polimeri – il tema della sezione successiva⁵⁵.

Può una sostanza chimica copiare se stessa ed evolvere senza l’aiuto di sistemi viventi?

Dopo aver camminato dall’inorganico all’organico e dopo aver considerato la chiralità di semplici monomeri, adesso diamo uno sguardo ai POLIMERI, la successiva grande idea evolutiva nella storia del passato e nel futuro della vita. Le sostanze “chiave”, nella maggior parte delle strutture e dei catalizzatori biologici, sono proteine, che sono polimeri costituiti da catene variabili di aminoacidi⁵⁶.

Le altre classi principali di polimeri sono i polinucleotidi DNA e RNA, ciascuno dei quali si compone di quattro nucleotidi (adenina, citosina, guanina e timina nel DNA, con uracile che sostituisce la timina nell’ RNA). Come le proteine, il DNA e l’RNA hanno chiralità. Come i polipeptidi (costituiti da una catena estremamente variabile di aminoacidi legati da un legame peptidico), i polinucleotidi sono in grado di ponteggio strutturale e di catalisi, ma hanno la funzione aggiuntiva di rendere possibile la replicazione⁵⁷.

La storia della replicazione del DNA è semplicemente affascinante. L’idea di base è quella di superfici complementari. L’idea che la complementarietà delle basi spieghi la duplicazione del DNA⁵⁸ è valsa il Premio Nobel a Jim Watson e Francis Crick⁵⁹. La trascrizione del DNA, invece, si realizza mediante un processo biochimico catalizzato da un enzima ad RNA. In sintesi: il DNA viene trascritto in RNA che verrà poi tradotto in proteina. Esistono diversi tipi di RNA: i più abbondanti sono gli RNA ribosomali (rRNA), gli RNA transfer (tRNA) che fanno corrispondere ad un codone⁶⁰ un aminoacido, e gli RNA messaggeri (mRNA) che trasportano l’informazione del materiale genetico (DNA) nel citoplasma per essere tradotta in proteine. L’RNA è un acido nucleico dato dall’unione di nucleotidi tramite un legame fosfodiestere catalizzato dalla RNA polimerasi. L’RNA è una molecola a singolo filamento, però può formare delle strutture secondarie grazie agli appaiamenti fra A e U oppure fra C e G. Lo zucchero è il ribosio. Affinché la trascrizione avvenga è necessario un filamento di DNA, i ribo-nucleotidi e l’RNA polimerasi. Mentre il DNA viene tutto replicato, non tutto il DNA viene trascritto, ma viene trascritta solo quella parte di DNA che contiene unità di trascrizione. L’unità di trascrizione è una porzione di DNA che può essere trascritta in un mRNA; a monte dell’unità di trascrizione è presente una sequenza di DNA regolatoria che prende il nome di promotore. Generalmente il promotore non è trascritto, ma permette l’attacco dell’RNA polimerasi, quindi è il punto di inizio della trascrizione. Dopo, il promotore inizia l’unità di trascrizione, poi c’è un’altra sequenza regolatoria che prende il nome di terminatore, che invece viene trascritto e serve per far finire la trascrizione. L’RNA polimerasi riconosce il promotore e conduce la trascrizione catalizzando la sintesi di mRNA a partire dallo stampo a DNA⁶¹.

Questi processi possono essere eseguiti sinteticamente. Dato un lungo polimero di nucleotidi, siamo oggi in grado di assemblare monomeri corrispondenti, o brevi polimeri complementari, su di esso mediante appaiamenti di basi. La stabilità dei conseguenti doppi filamenti dà al secondo filamento di RNA la possibilità di polimerizzare o legare brevi bit in un nuovo lungo polimero ( probabilmente catalizzato da molecole che galleggiano attorno). Questo nuovo polimero (filamento polinucleotidico) non è identico a quello originale ma complementare, come il complementare del complementare è simile all’originale⁶².

In precedenza ci chiedevamo come la materia da semplici atomi abbia organizzato modelli biomolecolari, ora possiamo vedere una progressione di eventi, a partire da come nuclei atomici si uniscono in modo casuale, a come gli atomi si uniscono per diventare molecole e come le molecole monomeriche si uniscono in modo casuale fino a diventare polimeri. I rapporti di legame chimico, fino a questo punto, sembrano predeterminati dalle regole della selezione fisica che agiscono su grandi insiemi di atomi. Come poi, nell’universo primordiale, la materia cosmica abbia prodotto semplici atomi e da questi organizzato modelli per l‘esistenza della vita con solo una parte per miliardo di eccesso di materia sull’antimateria⁶³, in quanto, se ce ne fosse stata esattamente la stessa quantità si sarebbero annientate l’una con l’altra, ma non vi è ancora consenso sulla spiegazione di questa asimmetria. Allo stesso modo, se ci fosse stata la stessa quantità di molecole mancine (L) e di molecole destrorse (D), la vita non avrebbe potuto esistere nell’universo – almeno non la vita come noi la conosciamo, ma possiamo aspettarci di vedere, sempre più spesso, oggi, il verificarsi di piccoli eventi casuali che possono crescere in modo esponenziale in strutture interessanti prima che qualsiasi chimica concorrente possa prendere piede⁶⁴.

Da tutto ciò se ne deduce che l’evoluzione avviene non solo in natura, ma anche in laboratorio, dove i processi “chiave” di mutazione e selezione operano su molecole inanimate e strutture composte da esse. Anche i creazionisti possono vedere come i piccoli cambiamenti, quando vengono ripetuti più volte per lunghi periodi di tempo, possano ammontare fino ad enormi effetti che conferiscono notevoli vantaggi in un dato organismo. Ciò che è più notevole è come nuovi tipi di funzionalità e forma possano emergere dalle collezioni del tutto casuali di RNA, piuttosto che come mere varianti di qualcosa di già ottimizzato e funzionante. Questo processo di emergenza ha importanti implicazioni per la rapidità con cui nuovi geni e genomi potevano emergere in passato e per la progettazione di materiali medici e industriali, oggi e nel prossimo futuro. Così anche librerie totalmente casuali di RNA possono essere sottoposte a forti pressioni selettive che favoriscono molecole proteiche rare capaci di eseguire preziose funzioni di legame o di catalisi. Possiamo, sinteticamente, generare un numero incredibile di differenti strutture di RNA in un volume equivalente a quello di una piccola cellula. Se uno qualsiasi di questi RNA ha alcuna attività per, preferenzialmente, il tagliare o il legare, l’intera serie di sequenze di RNA potrebbe sfornarsi e auto-modificarsi fino a che molecole stabili e auto-replicanti sorgano e persistano⁶⁵. 

Quindi possiamo, sinteticamente, generare un numero incredibile di differenti strutture nucleotidiche fino a che molecole stabili e auto-replicanti sorgano e persistano⁶⁶

La risposta alla domanda posta in precedenza – Può una sostanza chimica di sintesi copiare se stessa e evolversi senza l’aiuto di sistemi viventi? – è un sonoro sì. Facciamo un esempio di tale evoluzione in laboratorio. Una molecola di teofillina (utilizzato come farmaco per il trattamento dell’asma e di altre malattie polmonari) che può formarsi da parte di un tratto di RNA lungo cinquantacinque nucleotidi che può avere due morfologie differenti e due differenti stati funzionali secondo la concentrazione di teofillina. È facile immaginare che questa molecola potrebbe iniziare con tutti e due gli stati funzionali come la sua “unica” forma e funzione e potrebbe cambiare la forma bistabile con appena la mutazione di un singolo nucleotide. Poi, successivamente, qualche altra molecola si adatta allo stato bi-stabile, un altro punto di mutazione blocca questo adattamento in uno stato o l’altro, in modo permanente⁶⁷. 

La morale della storia è che forma e funzione possono essere modificate radicalmente con solo pochi cambiamenti che, tuttavia, producono un vantaggio selettivo a ogni stato, separatamente. Questa capacità sarà molto utile nel futuro dei disegni evoluti in laboratorio⁶⁸. 

Interfaccia tra mondo inorganico ed organico – quale futuro?

Durante quest’argomentazione ci siamo concentrati su chimica inorganica ed organica. Nell’uso colloquiale il termine “biologico” è assistito da un certo “effetto alone”⁶⁹ che, all’analisi, non merita. Ad esempio, quando compriamo prodotti biologici, stiamo sostenendo l’idea di alimentare colture con elementi essenziali conosciuti come azoto e fosforo che sono derivati solo da escrementi di animali piuttosto che da concimi minerali convenzionali come il fosfato di ammonio sfornato dall’industria chimica. Questo suona come vestigia (impronta) moderna del vitalismo. I fertilizzanti organici, tuttavia, possono portare, se non controllati, rischi per la salute pubblica sotto forma di agenti patogeni fecali, come Escherichia coli O157: H7 o escherichia coli entero-emorragico, Cryptosporidium e Giardia; quelli chimici, invece, possono portare tossicità e inquinamento ambientale. Quindi, entrambi i metodi di fertilizzazione, se usati in eccesso o in modo errato, comportano rischi, non solo per noi umani, ma anche per altre specie. Solo se consideriamo la possibilità di colatura di tali sostanze in ruscelli e laghi o in mare, questo comporterà la conseguente moria di pesci e altre specie acquicole della fauna e della flora⁷⁰.

Un altro dualismo riguardo inorganico/organico può essere visto a livello dell’interfaccia tra vita organica e macchine. L’interfaccia inorganico/organico dimostra la “danza” intima tra i due mondi. Oggi, i ricercatori stanno ricapitolando quello che potremmo definire la prima transizione inorganico/organico che si è verificata eoni fa. In questo ricapitolare da molecole semplici si formarono e si formano polimeri lineari che sono gli elementi costitutivi di entrambe le strutture: naturali e sintetiche. Oggi si esplora il dualismo relativo all’interfaccia Input/ Output, specialmente, tra componenti elettronici inorganici e DNA organici. Sul lato degli input dell’interfaccia Input/Output, megapixel CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica)⁷¹ e telecamere elettroniche CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor),⁷² i dispositivi possono essere usati per registrare, spazialmente, pattern di luce, quali la bioluminescenza o la fluorescenza, in computer a base inorganica (cioè a base di silicio). Questo ci permetterebbe di leggere genomi rapidamente, sia per test diagnostici che di monitoraggio ambientale. Accoppiare questi attributi delle interfacce inorganico/ organico a input/output ci permetterebbe di progettare, sintetizzare e valutare la qualità di grandi collezioni di DNA e di tutto ciò che esse codificano⁷³.

Durante il periodo che potremmo chiamare l’età della pietra dell’ingegneria genetica del DNA, cioè tra il 1967 e 1990, il DNA è stato ingegnerizzato in soluzione, dovendo purificare molti brevi prodotti intermedi. La bassa resa per ogni passo, moltiplicata per le piccole lunghezze ottenute ad ogni fase, resero la sintesi del DNA⁷⁴ una sfida. Oggi si possono, letteralmente, “stampare” matrici di DNA utilizzando tecnologia molto avanzata. Questo è davvero un grande vantaggio, anche, per capire il perché esploriamo delle analogie con altri tipi di stampa⁷⁵. 

Oggi, infatti, si possono utilizzare stampanti a getto d’inchiostro, stampanti ottiche e la tecnologia della luce strutturata⁷⁶, per stampare fotografie su carta che sono manufatti bidimensionali. Ma è possibile, per le stampanti a getto d’inchiostro, “stampare”, cioè, costruire, strato per strato, oggetti tridimensionali. I sistemi a getto d’inchiostro possono contenere molti colori e molti getti attivi in parallelo. Se l’inchiostro è costituito da minerali colorati o colla, quindi possiamo depositare (o “stampare”) uno strato sopra un secondo strato (tipicamente 0.1 mm per strato), e poi ripetere questo processo in successione per creare rapidi prototipi tridimensionali di manufatti in plastica o in gesso⁷⁷.

Possiamo usare metodi simili a quelli della luce strutturata spazialmente o dei getti d’inchiostro per costruire lunghe catene di DNA chiamate oligonucleotidi⁷⁸, con una lunghezza di fino a 300 paia di basi. In genere, ogni strato è dello spessore di un nucleotide (= 0.4 nm), con i quattro “colori” a getto d’inchiostro (identificanti: A, C, G e T) utilizzati per strato. Con questo metodo si possono fare milioni di differenti zone di DNA su un vetrino di 3 pollici o porzione di un wafer⁷⁹ di silicio più grande⁸⁰. 

Nel 1980, erano già disponibili sul mercato sintesi commerciali di DNA ad un prezzo di US$ 6.000 per una piccola quantità di prodotto, lunghe solo una decina di nucleotidi. Esse erano utilizzate sia per trovare geni importanti che per sintetizzarli. Nel 2010 si producevano sintesi lunghe 60 oligonucleotidi per solo US$ 500. Proprio come l’appetito globale per la lettura del DNA sembra insaziabile – con una crescita di un milione di volte in sei anni ed ancora in crescita – l’appetito per la sintesi del DNA, o “scrittura”, probabilmente crescerà in modo simile e andrà in molte direzioni inaspettate. Dal momento che il DNA nelle cellule è molto longevo (miliardi di anni), potremmo voler preservare l’intera Internet in forma di molecole di DNA. Questo sarebbe l’ultimo backup (salvataggio) reso possibile convertendo lo 0 e l’1 di Internet nelle molecole di DNA As, Cs, Gs, e Ts, e sintetizzando le molecole di conseguenza. L’Internet Archive⁸¹ contiene 3 petabyte (10¹⁵) di dati e si sta espandendo al ritmo di 1 petabyte all’anno. Questo nonno di tutte le copie di backup costerebbe US$ 25 miliardi, un importo che non è fuori questione, ma la riduzione sensibile di quel costo sarebbe auspicabile. A causa della sua dimensione molto piccola, il lancio di copie nello spazio e nei crateri polari ghiacciati della luna potrebbe essere molto poco costoso⁸². 

Oggi, i chip di oligonucleotidi stanno diventando la linfa vitale della biologia sintetica. Tuttavia, la luce spazialmente strutturata e le stampanti a getto d’inchiostro possono essere utilizzate per realizzare oggetti complessi come strutture cellulari. Esistono varie opzioni: (1) le stesse cellule possono essere riprese direttamente da stampanti a getto d’inchiostro, (2) proteine ponteggi⁸³ possono essere depositate in modo tale che le cellule si auto-assemblino su queste proteine, o (3) le cellule possono essere assemblate su scaffolding⁸⁴ foto-reattivi e poi selettivamente stabilizzate o rilasciate dalla luce. Questi e altri metodi contengono il potenziale di produrre tessuti e organi sintetici86 e, anche, personalizzati e adatti per testare i prodotti farmaceutici – e, in ultima analisi, per stampare copie di interi organismi.87 

Andando avanti vedremo più sistemi ibridi inorganici/ organici. La nostra potenzialità biologica è aumentata, anche, meccanicamente, in forma di veicoli (sempre più sofisticati e auto-guidanti), smart-phone, apparecchi acustici, pacemaker, solo per citarne alcuni, e questi dispositivi sono sempre più integrati nella nostra vita quotidiana tanto che molti di noi troverebbero difficile farne a meno. Dal 1980 abbiamo aggiunto parti di DNA ricombinante⁸⁵ per produrre insulina, eritropoietina, anticorpi monoclonali, e altre sostanze medicalmente utili. L’aggiunta di sistemi biologici sintetici complessi, in ultima analisi, offuscherà la distinzione tra vita e non-vita?⁸⁶.

È, forse, troppo presto per dare una risposta definitiva, ma quest’argomentazione, sull’interfaccia tra inorganico ed organico, ha, comunque, il proposito di farci riflettere su quanto superato sia stato il dualismo che opponeva inorganico ad organico e, di conseguenza, quanto anacronistiche risultino ancora molte delle nostre convinzioni riguardo la vita, con tutte le conseguenze pratiche che ne derivano. Con le ultime realizzazioni della biologia sintetica, le élite accademiche – e i gruppi culturali ad esse socialmente articolati – continueranno a reinterpretare la natura e noi stessi. Dobbiamo tenerne conto per tutte le ripercussioni, non solo positive, che queste reinterpretazioni della vita hanno e avranno sulla bio-politica che, tuttora, gestisce e manovra le modalità sociali (economiche, salutistiche e ambientali) con cui si nasce, si vive e si muore. 

1. L’eone è un’unità geocronologica utilizzata in geologia. È la categoria di rango superiore tra le suddivisioni della scala dei tempi geologici; la categoria di rango immediatamente inferiore è l’era. Il limite tra un eone e il successivo viene posto in corrispondenza di un cambiamento fondamentale nella storia degli organismi viventi.
2. Il termine fu coniato nel 1920 dal botanico Hans Winkler e viene fatto risalire o al verbo greco γιʹγνομαι [gignomai] (“divenire”), o alla fusione delle parole gene e cromosoma, come suggerito dall’Oxford English Dictionary.
3. Church, George & Ed Regis. Regenesis. How Synthetic Biology Will Reinvent nature and Ourselves. Basic Books, New York, 2014, p. 15.
4. Regis, Ed. WHAT IS LIFE? Investigating the Nature of Life in the Age of Synthetic Biology. Ferrar, Straus and Giroux. New York, 2008.
5. L’Adeano (dal greco Ade, “Inferi”: mondo dominato dal calore) è l’eone che rappresenta la prima suddivisione del tempo geologico nella storia del nostro pianeta. Ebbe inizio circa 4 600 milioni di anni fa e terminò circa 4 000 milioni di anni fa con il passaggio al successivo eone, l’Archeano. L’Adeano appartiene al Precambriano, un’unità geocronologica informale. Il termine Adeano non è, ad oggi, un eone definito secondo gli standard ICS (Commissione Internazionale di Stratigrafia), ma è convenzionalmente accettato e riportato nella scala dei tempi geologici internazionale. Sono ritenuti sinonimi anche le designazioni alternative: Priscoano (età prima) e Azoico (età priva di forme di vita organica). Wikipedia.
6. Il Big Bang è un modello cosmologico basato sull’idea che l’universo iniziò ad espandersi a velocità elevatissima in un tempo finito nel passato, a partire da una condizione di volume ridottissimo e temperatura e densità estreme, e che questo processo continui tuttora. È il modello predominante nella comunità scientifica e ha avuto conferme basate su prove e osservazioni astronomiche. Se la distanza fra gli ammassi di galassie sta aumentando oggi a causa dell’espansione, ciò suggerisce che essi fossero più vicini in passato. Andando a ritroso nel tempo, densità e temperatura gradatamente aumentarono, arrivando a un istante in cui questi valori tendono all’infinito e il volume tende a zero, così che le attuali teorie fisiche non sono più applicabili. Negli acceleratori di particelle si studia il comportamento della materia e dell’energia in condizioni estreme, assai simili a quelle in cui si sarebbe trovato l’universo durante le prime fasi del Big Bang, senza tuttavia la possibilità di esaminare la fisica delle particelle al livello di energia all’inizio dell’espansione. Per tali motivi la teoria non è adeguata a descrivere la condizione iniziale, ma fornisce un’ottima descrizione dell’evoluzione dell’universo da un determinato momento in poi. Wikipedia. Secondo la teoria del Big Bang, l’Universo stesso, all’inizio, era costituito da un mare di particelle (protoni, neutroni, elettroni, positroni, fotoni e neutrini), poi la combinazione di protoni e neutroni ha formato i nuclei di deuterio (2H) e di elio (He). Dopo milioni di anni ebbero inizio le reazioni di fusione nucleare che trasformarono l’idrogeno gassoso in elio, producendo grandi quantità di energia. Quando la maggior parte dell’idrogeno presente si trasformò in elio, la fusione nucleare si arrestò e si ebbe la sintesi di nuovi elementi chimici. http://www.treccani.it/scuola/ lezioni/scienze_naturali/origine_elementi.html.
7. Per “catalizzare” si intende causare o accelerare una reazione senza che il catalizzatore stesso subisca un cambiamento permanente.
8. Brock, William H. The Norton History of Chemistry. Norton, New York, 1992.
9. Il ciclo del carbonio-azoto (abbreviato ciclo CN, anche denominato per maggior completezza come ciclo del carbonio-azoto-ossigeno o ciclo CNO, dai simboli dei tre elementi chimici considerati (o ciclo di Bethe), è una serie di reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle. Wikipedia.
10. Il termine “sostanze organiche” deriva dal termine “organismo”, cioè essere vivente. In passato si chiamavano organiche solo le sostanze derivanti da esseri viventi. Il latte, ad esempio, è costituito da sostanze organiche perché è ricavato dalla mucca, che è un vivente, lo stesso vale per la farina, l’olio d’oliva… Anche la plastica è considerata una sostanza organica, perché è ricavata dal petrolio, che a sua volta è costituito da sostanze organiche perché deriva dalla decomposizione di organismi marini vissuti milioni di anni fa. Adesso la definizione è cambiata, l’uomo è riuscito a costruire sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche. I chimici chiamano organiche le sostanze che contengono carbonio, con alcune eccezioni, tra cui l’anidride carbonica, il calcare, la grafite, il diamante, che pur contenendo atomi di carbonio non sono considerate organiche. Le sostanze che non sono organiche si chiamano “inorganiche”. Sono ad esempio sostanze inorganiche l’acqua, l’anidride carbonica, l’ossigeno, il gesso, il ferro, il sale, [i minerali in genere].
11. Brock, William H. op. cit.
12. Partington, James Riddick. A History of Chemistry. Dover Publications, New York, p. 122-152.
13. Ibidem
14. Church, George & Ed Regis. op. cit.
15. Il legame a idrogeno è di fondamentale importanza per le biomolecole poiché conferisce loro stabilità. In definitiva, le differenze di elettronegatività conferiscono alle biomolecole legami intermolecolari.
16. Ibidem
17. L’isomeria (dal greco ισομερης, isomerès; isos = “uguale”, méros = “parte”) è quel fenomeno per il quale sostanze diverse per proprietà fisiche e spesso anche per comportamento chimico hanno la stessa formula bruta, cioè stessa massa molecolare e stessa composizione percentuale di atomi.
18. Partington, James Riddick. A History of Chemistry. Dover Publications, New York, p. 180-216.
19. Ihde, A. J. The Development of Modern Chemistry Dover Publications, New York, 1984, pp. 170–173.
20. Regis, Ed. op. cit.
21. Partington, J.R. A History of Chemistry, vol. IV, Martin’s Press, New York, 1964, pp. 327–332. Brock, W.H. The Fontana History of Chemistry. Fontana Press, 1992, pp.199–200.
22. Il cianato d’ammonio è un sale inorganico di formula NH₄OCN costituito dal catione ammonio NH+4 e dall’anione cianato OCN−. A temperatura ambiente appare come un solido cristallino incolore, facilmente solubile in ambiente acquoso nel quale si trova in equilibrio con l’urea, molecola organica di formula NH₂-CO-NH₂. Il composto ha avuto una certa importanza nella storia della chimica e della biologia, in quanto la scoperta dell’equilibrio con l’urea dimostrò che composti organici ed inorganici potevano essere mutuamente convertibili, “rompendo”, per così dire, la netta separazione concettuale tra le discipline della chimica organica e della chimica inorganica imposta dal pensiero vitalista.
23. Church, George & Ed Regis. op. cit.
24. La chiralità (dal greco χειʹρ [cheir], “mano”) è la proprietà di una disposizione spaziale di atomi di essere non sovrapponibile alla sua immagine speculare. In chimica è detta chirale una molecola non sovrapponibile alla propria immagine speculare nelle tre dimensioni. Al contrario, una molecola sovrapponibile alla propria immagine speculare nelle tre dimensioni (tramite rotazioni e traslazioni) è detta achirale.
25. Church, George & Ed Regis. op. cit.
26. Complesso di reazioni biochimiche di sintesi (anabolismo) e di degradazione (catabolismo), che si svolgono in ogni organismo vivente e che ne determinano l’accrescimento, il rinnovamento, il mantenimento.
27. Brock, William H. op. cit.
28. Church, George & Ed Regis. op. cit.
29. Regis, Ed. op. cit.
30. In chimica è detta chirale una molecola non sovrapponibile alla propria immagine speculare nelle tre dimensioni. Sono detti enantiomeri una coppia di entità molecolari che sono immagini speculari ciascuna dell’altra e non sovrapponibili. Due molecole identiche in tutto, salvo l’essere una l’immagine speculare dell’altra tra loro non sovrapponibili, sono dette enantiomeri. Una miscela 1:1 di due enantiomeri viene detta racemo. La miscela dei due enantiomeri non ha le stesse proprietà dell’enantiometro puro . In generale, la condizione necessaria affinché un composto sia chirale è che abbia un elemento, sia esso un atomo, un asse o un piano “portatore di chiralità”. In termini tecnici per dire “portatore di chiralità” si dice stereo genico o asimmetrico.
31. Il termine omo chiralità ci si riferisce, in chimica ad un gruppo di molecole, non necessariamente uguali ma con la stessa configurazione assoluta (R o S).
32. Con il termine omochiralità ci si riferisce, in chimica ad un gruppo di molecole, non necessariamente uguali ma con la stessa configurazione assoluta (Destrorsa o Mancina). In biologia alcune molecole costituenti gli esseri viventi sono omo chirali. Praticamente tutti gli aminoacidi hanno configurazione Mancina e tutti i carboidrati biologicamente rilevanti hanno configurazioni Destrorsa. L’origine dell’omogeneità chirale in natura non è ancora chiara come non è ancora chiaro se la vita avrebbe potuto evolversi nello stesso modo se al posto degli stereoisomeri presenti ci fossero state le loro immagini speculari, ad esempio se tutti gli aminoacidi fossero stati Destrorsi e non Mancini. In ogni caso, le strutture tridimensionali di macromolecole complesse, come le proteine, non potrebbero formarsi partendo dal racemo e non dagli aminoacidi otticamente puri. È stato ad esempio dimostrato sperimentalmente che gli aminoacidi riescono a formare meglio aggregati partendo da substrati enantiopuri piuttosto che partendo da racemi (è la miscela 1:1 dei due opposti enantiomeri di un composto chirale). Si pensa che l’origine dell’omochiralità sia avvenuta in tre passaggi: una rottura della simmetria che crea un piccolo eccesso enantiomerico, amplificazione in cui si ha un arricchimento di molecole di una data configurazione e trasmissione in cui l’eccesso enantiomerico interagendo con altre molecole genera stereo selettivamente altre molecole chirali.
33. Due molecole tra di loro enantiomere possiedono le medesime proprietà fisiche tranne il potere rotatorio (identico per intensità ma opposto di segno per ognuna di esse) e mostrano lo stesso comportamento chimico nei confronti di sostanze non chirali. Diversa è invece la loro interazione chimica nei confronti delle altre molecole chirali (esattamente come una mano destra, stringendo un’altra mano riesce a distinguere una mano destra da una sinistra).
34. Church, George & Ed Regis. op. cit.
35. Ibidem
36. Nianzhi Jiao, Gerhard J. Herndl, Dennis A. Hansell, Ronald Benner, Gerhard Kattner, Steven W. Wilhelm, David L. Kirchman, Markus G. Weinbauer, Tingwei Luo, Feng Chen and Farooq Azam. Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter: long-term carbon storage in the global ocean. In “Nature Reviews Microbiology”, published online 5 July 2010; doi:10.1038/nrmicro2386
37. Church, George & Ed Regis. op. cit.
38. Ibidem
39. Ibidem
40. Brock, William H. op. cit.
41. Le molecole chirali, identificabili per la loro proprietà di non essere sovrapponibili alla propria immagine speculare, sono anche chiamate “molecole allo specchio”
42. Church, George & Ed Regis. op. cit.
43. Ibidem
44. Ibidem
45. Ibidem

46. Freemantle, Michael. CHEMISTRY AT ITS MOST BEAUTIFUL Pasteur’s separation of enantiomers tops list of the most memorable discoveries in chemistry. In “Chemical and Engineering News”, Vol. 81, Issue 34, pp. 27-30, 2003

47. Partington, James Riddick. A History of Chemistry. Dover Publications, New York, pp. 300-321.
48. Isomero: L’isomeria (dal greco ιʹσομερηʹς, isomerès, composto di ι¨σος, isos, “uguale” e μεʹρος, méros, “parte”) è quel fenomeno per il quale sostanze diverse per proprietà fisiche e spesso anche per comportamento chimico hanno la stessa formula bruta, cioè stessa massa molecolare e stessa composizione percentuale di atomi. Wikipedia.
49. Ibidem
50. Ibidem
51. La biogenesi è la teoria secondo cui gli organismi viventi si riproducono continuamente solo a partire da altri organismi viventi. La legge della biogenesi è attribuita a Louis Pasteur e afferma che gli organismi viventi possono derivare soltanto da altri organismi viventi, attraverso la riproduzione: per esempio, un ragno può deporre uova, da cui si genereranno nuovi ragni. La teoria sostiene che la vita non possa continuamente rigenerarsi da organismi non animati, come invece afferma la teoria della generazione spontanea. Il termine biogenesi fu coniato da Henry Charlton Bastian, inizialmente per indicare la generazione della vita da materia non animata; successivamente Thomas Henry Huxley modificò il termine per indicare la generazione da materia non animata in abiogenesi e ridefinì biogenesi come la generazione di vita da materia animata. L’abiogenesi è avvenuta almeno una volta nella storia della Terra, ovvero quando la vita è comparsa sulla Terra; anche la teoria della panspermia prevede una generazione spontanea nella storia dell’universo.
52. Racemasi, racemases plural, biochimica, qualsiasi enzima che catalizza l’inversione della configurazione stereochimica su un atomo di carbonio asimmetrico in un substrato avente solo centro di asimmetria.
53. Church, George & Ed Regis. op. cit.
54. Ibidem
55. Ibidem
56. Ibidem
57. Ibidem
58. La replicazione (o duplicazione) è il meccanismo molecolare attraverso cui viene prodotta una copia del DNA cellulare. La duplicazione del DNA comprende due fasi La duplicazione semi conservativa del DNA richiede precise condizioni: oltre ai nucleosidi trifosfati necessari per costruire la nuova molecola, è indispensabile la presenza di un DNA preesistente, di un complesso di replicazione, di un innesco (o primer) e di numerose proteine. La duplicazione avviene in due tappe: La doppia elica del DNA, con l’aiuto di specifici enzimi, si despiralizza e si rompono i legami a idrogeno tra basi appaiate, per permettere l’allontanamento dei due filamenti stampo e renderli disponibili all’appaiamento con nuove basi. I nuovi nucleotidi si uniscono mediante legami fosfodiesterici a ciascun nuovo filamento in crescita secondo una sequenza determinata dall’appaiamento per complementarietà con le basi del filamento stampo. La formazione dei legami fosfodiesterici è catalizzata da enzimi chiamati DNA polimerasi. Un punto importante da ricordare è che i nucleotidi si vanno ad aggiungere al nuovo filamento in accrescimento solo all’estremità 3’, quella dove il filamento di DNA presenta un gruppo ossidrile (–OH) libero sul carbonio 3’ del desossiribosio terminale. Uno dei tre gruppi fosfato del desossiribonucleoside trifosfato si lega alla posizione 5’ dello zucchero, e l’energia necessaria alla reazione è liberata dalla rottura dei legami fra il nucleotide e gli altri due gruppi fosfato.
59. Ibidem
60. Il codone (in inglese codon) viene definito come una sequenza specifica di 3 nucleotidi (tripletta) lungo l’mRNA che codifica l’informazione per l’inserimento di uno specifico amminoacido durante la sintesi proteica o per la fine della stessa (definito codone di stop). Il codone è alla base del codice genetico. La scoperta che le triplette fossero le unità codificanti alla base del codice genetico appartiene a Francis Crick e Sydney Brenner. WIKIpedia.
61. https://doc.studenti.it/appunti/biologia/trascrizione-riassunto.html.
62. Church, George & Ed Regis. op. cit.
63. L’antimateria è la materia composta dalle antiparticelle corrispondenti alle particelle che costituiscono la materia ordinaria e di carica opposta.
64. Ibidem
65. Ibidem
66. Alla base della vita ci sono due molecole: DNA e RNA, le sole che siano in grado di codificare e trasmettere le informazioni genetiche, e in grado di adattarsi nel corso del tempo ai cambiamenti, attraverso processi di evoluzione darwiniana. O almeno, erano le sole fino a ieri. A esse, come viene illustrato in un articolo pubblicato su “Science”, se ne affiancano ora delle altre: gli XNA si tratta di una serie di acidi nucleici (NA, da nucleic acid) prodotti per sintesi da un gruppo di ricercatori del Medical Research Council di Cambridge, in Gran Bretagna, della Katholieke Universiteit di Lovanio, dell’Arizona State University e della Syddansk Universitet di Odense. Il fatto che tutta la vita che conosciamo si basi su queste due molecole ha da tempo indotto gli scienziati a chiedersi se la trasmissione delle informazioni genetiche, ossia l’ereditarietà, e l’evoluzione potessero avvenire solo attraverso di esse. E proprio in questo filone di ricerca si inserisce la scoperta pubblicata su «Science». Gli acidi nucleici sono polimeri i cui monomeri sono costituiti da un gruppo fosfato, uno zucchero e una di cinque possibili basi azotate, che rappresentano le lettere dell’alfabeto con cui si articola il codice genetico. Nel caso del DNA, lo zucchero è il deossiribosio e la basi azotate sono adenina, guanina, citosina e timina, mentre nell’RNA lo zucchero è il ribosio e una delle quattro precedenti basi azotate, la timina, è sostituita da un’altra, l’uracile. Negli XNA, al posto degli zuccheri ribosio o deossiribosio c’è arabinosio (ANA), 2-fluoro-arabinosio (FANA), treosio (TNA), un analogo “bloccato” del ribosio (LNA, locked nucleic acid) anidroesitolo (HNA) o addirittura cicloesene (CeNA). http://www.lescienze.it/news/2012/04/20/news/una_vita_a_xna_alternativa_sintetica_al_dna-976757/
67. Ibidem
68. Church, George & Ed Regis. op. cit.
69. L’effetto alone è un bias cognitivo per il quale la percezione di un tratto è influenzata dalla percezione di uno o più altri tratti dell’individuo o dell’oggetto. Un esempio è giudicare intelligente, a prima vista, un individuo di bell’aspetto. Il bias in psicologia cognitiva indica un giudizio (o un pregiudizio), non necessariamente corrispondente all’evidenza, sviluppato sulla base dell’interpretazione delle informazioni in possesso, anche se non logicamente o semanticamente connesse tra loro, che porta dunque ad un errore di valutazione o mancanza di oggettività di giudizio. Wiki.
70. Ibidem
71. CCD è un sensore Charge Coupled Device (CCD) proprietario sviluppato da Fujifilm a partire dal 1999 per le proprie macchine fotografiche digitali
72. Il CMOS, acronimo di complementary metal-oxide semiconductor, è un tipo di tecnologia utilizzata in elettronica per la progettazione di circuiti integrati, alla cui base sta l’uso dell’invertitore a transistor MOSFET. Si tratta di una struttura circuitale costituita dalla serie di una rete di “Pull-Up” ed una di “Pull-Down”: la prima s’incarica di replicare correttamente il livello logico alto LL1 mentre alla seconda è destinata la gestione del livello logico basso LL0.
73. Church, George & Ed Regis. op. cit.
74. La sintesi del DNA è la creazione naturale o artificiale di molecole di acido desossiribonucleico (DNA). La sintesi del DNA può denotare una delle seguenti modalità in vari contesti: (1) la replicazione del DNA – DNA biosintesi (amplificazione del DNA in vivo), (2) la reazione a catena di polimerasi – sintesi del DNA enzimatica (amplificazione del DNA in vitro), (3) la sintesi del gene – creando fisicamente sequenze genetiche artificiali.
75. Regis, Ed. op. cit.
76. Con il termine luce strutturata ci si riferisce ad una tecnica di rilevamento tridimensionale facente uso tipicamente di raggi laser, lenti a corta focale e telecamere da ripresa, che consiste nel proiettare un pattern noto (spesso righe orizzontali o verticali) su una scena. Il modo in cui l’immagine proiettata si deforma colpendo un oggetto permette ai sistemi di visione di calcolare la profondità degli oggetti colpiti ed ottenere altre informazioni sulla superficie. Lo strumento di misura si chiama, in questo caso, scanner 3D a luce strutturata.
77. Kosuri, Sriram & George M. Church. Large-scale de novo DNA synthesis: technologies and applications. In “Nature Methods”, Vol. 11, No. 5, pp. 499-507, May, 2014.
78. Gli oligonucleotidi sono brevi sequenze di nucleotidi (RNA o DNA), tipicamente con 20 o meno paia di basi. La loro produzione viene solitamente affidata a sintetizzatori automatici, che possono produrne in modo efficiente fino ad una lunghezza di 160/200 basi. I nucleotidi costituenti questi brevi frammenti di acidi nucleici possono essere normali o modificati con gruppi tiolici, aminici o con gruppi fluorescenti, a seconda dell’uso che se ne fa. Nella terminologia usata nella comunità scientifica, ci si riferisce agli oligonucleotidi indicandoli come oligo (brevi).
79. In microelettronica, un wafer è una sottile fetta di materiale semiconduttore, come ad esempio un cristallo di silicio, sulla quale vengono costruiti circuiti integrati attraverso drogaggi (con diffusione o impiantazione ionica), la deposizione di sottili strati di vari materiali, conduttori, semiconduttori o isolanti, e la loro incisione fotolitografica. I wafer sono fabbricati in diverse misure, che vanno da 25,4 a 300 mm, con uno spessore dell’ordine di 0,5 mm. Generalmente sono ricavati da un lingotto di materiale semiconduttore utilizzando una sega a filo; segue poi la lucidatura di una o entrambe le facce del wafer.
80. Regis, Ed. op. cit.
81. Internet Archive è una biblioteca digitale non profit che ha lo scopo dichiarato di consentire un “accesso universale alla conoscenza”. Essa offre uno spazio digitale permanente per l’accesso a collezioni di materiale digitale che include, tra l’altro, siti web, audio, immagini in movimento (video) e libri. Secondo il sito web di Internet Archive “molte società danno importanza alla preservazione di artefatti riguardanti la loro eredità culturale. Senza questi artefatti la civiltà non ha memoria e non ha modo di imparare dai propri successi e dai propri fallimenti. La nostra cultura ora produce sempre più artefatti in forma digitale. La missione di Internet Archive è di aiutare a preservare questi artefatti e creare una biblioteca digitale su Internet per ricercatori, storici e studiosi”.
82. Church, George M., Yuan Gao & Sriram Kosuri. Next-Generation Digital Information Storage in DNA. In “Science”, Vol. 337, Issue 6102, pp. 1628, Sept. 2012
83. In biologia il termine scaffolding [ponteggio] si riferisce all’azione esercitata da alcune proteine che hanno il compito di facilitare l’interazione di altre particolari proteine aumentando il segnale.
84. In informatica, lo scaffolding (impalcatura) è una procedura che automatizza la creazione di oggetti ed interfacce a partire da alcune semplici specifiche dettate dal programmatore.
85. Con il termine di DNA ricombinante si intende una sequenza di DNA ottenuta artificialmente dalla combinazione di materiale genetico di origini differenti, come può avvenire per un plasmide contenente un gene d’interesse. Si usa anche definire proteina ricombinante ogni proteina ottenuta da trascrizione e traduzione di un frammento di DNA ricombinante inserito all’interno di un organismo ospite, che diviene in questo modo geneticamente modificato. Con il termine comune di tecniche del DNA ricombinante ci si riferisce dunque, più in genere, alle tecniche di cui l’ingegneria genetica si serve comunemente. Il DNA ricombinante è utilizzato per produrre OGM in grado, ad esempio, di funzionare come bio-reattori per la produzione di ormoni ad uso medico, come l’insulina, l’ormone della crescita o l’ossitocina, o di vaccini. Il bioreattore più utilizzato, anche perché il più facile da trattare, è Escherichia coli, un batterio procariota nel quale può essere inserito un gene da tradurre abbondantemente in proteina (come avviene per i casi appena riportati).
86. Church, George & Ed Regis. op. cit.

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