Una delle questioni più affascinanti e durature della biologia molecolare potrebbe finalmente trovare risposta grazie alle leggi della fisica quantistica. Da oltre un secolo gli scienziati si interrogano sul motivo per cui gli organismi viventi scelgano quasi esclusivamente molecole con una specifica orientazione spaziale, scartando la loro perfetta immagine speculare. Un nuovo studio internazionale suggerisce che la spiegazione di questo mistero non risieda nella chimica tradizionale, ma nello spin degli elettroni, una proprietà quantistica infinitesimale che influenza il comportamento della materia in movimento.
Fisica quantistica: Il mistero ultracentenario delle molecole speculari
In natura moltissime molecole organiche fondamentali possiedono una proprietà geometrica nota come chiralità, il che significa che possono esistere in due forme speculari e non sovrapponibili, del tutto simili alla mano destra e alla mano sinistra. Queste due varianti, chiamate enantiomeri, mostrano caratteristiche chimiche e fisiche identiche quando si trovano in uno stato di riposo all’interno di un ambiente neutro. Nonostante questa apparente uguaglianza, la biologia terrestre opera una selezione drastica e netta, preferendo una sola configurazione.
Gli amminoacidi che compongono le proteine umane e animali si presentano infatti quasi sempre nella medesima forma, mentre gli zuccheri complessi e gli acidi nucleici adottano costantemente l’orientazione opposta. Questo fenomeno di asimmetria globale, battezzato omochiralità, è rimasto privo di una spiegazione scientifica pienamente soddisfacente per più di cento anni. Le teorie formulate in passato non sono mai riuscite a chiarire come una singola preferenza geometrica abbia potuto estendersi in modo così uniforme a ogni singola cellula del pianeta.
La svolta odierna nasce dalle ricerche condotte dal professor Yossi Paltiel dell’Università Ebraica e dal professor Ron Naaman del Weizmann Institute. I due scienziati hanno intuito che per risolvere l’enigma fosse necessario smettere di osservare le strutture molecolari nella loro staticità. L’origine della selezione biologica andava cercata piuttosto nei momenti di dinamismo, ovvero quando le particelle subatomiche si spostano attivamente da un atomo all’altro.
Lo spin elettronico e la rottura della simmetria
Il cuore della scoperta risiede nell’interazione tra la morfologia delle molecole chirali e lo spin degli elettroni che le attraversano durante le normali reazioni chimiche. Lo spin può essere immaginato come il momento angolare intrinseco di una particella, una sorta di rotazione interna che risponde ai campi magnetici e strutturali. Quando un flusso di elettroni attraversa un enantiomero, lo spin interagisce con la spirale molecolare generando una polarizzazione che differisce leggermente tra le due forme speculari.
Questo fenomeno smentisce una radicata convinzione accademica secondo cui le molecole destrogire e levogire dovrebbero produrre reazioni speculari di pari intensità, invertendo solo il segno algebrico o la direzione. I dati sperimentali dimostrano invece che il comportamento quantistico non è perfettamente simmetrico quando c’è trasporto di carica. Lo squilibrio si manifesta sotto forma di una differente efficienza energetica nel corso dei processi fisici dinamici.
Attraverso una combinazione di calcoli teorici avanzati e verifiche di laboratorio, il team ha rintracciato le prove di questo disallineamento microscopico. Sebbene i due enantiomeri conservino esattamente lo stesso livello di energia fondamentale, la loro risposta allo spin elettronico devia dal modello teorico speculare. Tale discrepanza genera una sottile ma misurabile disuguaglianza nel modo in cui le molecole interagiscono con l’ambiente circostante.
Dalla fisica quantistica alle origini della biologia
La comprensione di questo meccanismo apre uno scenario del tutto inedito sulle prime fasi evolutive della Terra prebiotica, spostando l’asse dell’indagine dalla biologia alla fisica delle particelle. Se una specifica forma molecolare possiede un vantaggio cinetico anche minimo nelle interazioni regolate dallo spin, questo scarto tende ad accumularsi inevitabilmente nel corso del tempo profondo. Un piccolissimo vantaggio iniziale può così trasformarsi, nel corso di milioni di generazioni molecolari, in un dominio biologico assoluto.
La ricerca evidenzia come la simmetria chimica dei sistemi naturali sia in realtà molto più fragile e manipolabile di quanto ipotizzato finora dalle scienze dei materiali. Questa debolezza strutturale offre una spiegazione logica a come la vita abbia imboccato una strada univoca fin dai suoi primi vagiti nel brodo primordiale. I processi fisici quantistici avrebbero quindi agito come un setaccio invisibile, guidando la selezione dei mattoni fondamentali dei sistemi viventi.
L’intersezione tra queste discipline apre ora promettenti filoni di ricerca applicata che spaziano dalla farmaceutica alla tecnologia avanzata. Gli scienziati stanno già studiando come sfruttare la chiralità e lo spin per progettare nuovi materiali intelligenti capaci di ottimizzare il trasporto elettronico. Comprendere l’influenza delle proprietà quantistiche sulla materia organica consentirà non solo di svelare il passato della vita, ma anche di scrivere il futuro delle scienze biochimiche.
Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.
