Nel bicentenario della nascita di Louis Pasteur, riflettiamo sulla chiralità da lui scoperta
Ci guardiamo spesso allo specchio, ma di rado riflettiamo sul fatto che la nostra immagine reale, quella che appare agli occhi altrui, differisce dall’immagine virtuale riflessa. Eppure, per guardare noi stessi nello stesso modo in cui gli altri guardano noi, basta un selfie.
Dicono che molti animali e la maggioranza dei mammiferi sono caratterizzati dalla simmetria bilatera, ma questo è vero fino a un certo punto: un volto idealmente simmetrico è meno attraente, è meno intrigante del volto reale.
Figura 2. L’immagine del volto naturale dell’attrice Scarlett Johansson, al centro, è più attraente delle altre due immagini che la rappresentano: a sinistra, il volto ottenuto per riflessione del semi-volto di sinistra e, a destra, il volto ottenuto per riflessione del semi-volto di destra.
Una persona il cui volto è molto asimmetrico tende a giudicare brutta una sua foto: abituata a interpellare nello specchio il proprio indiscreto alter ego, tende a disconoscere la sua immagine reale. Al limite, se la Primavera di Botticelli potesse guardare una sua fotografia, inorridirebbe scoprendo la mostruosa asimmetria del suo volto incantevole.
E ora un altro fatto che potrebbe incuriosire l’élite di coloro i quali si possono permettere, con una punta di narcisismo, di non resistere alla tentazione di adornare il loro polso sinistro con un Rolex; sono abituati a osservarne le lancette mentre ruotano in senso orario; ma salvo poche eccezioni non sanno che, se ammirassero l’immagine speculare del loro monile rivolgendo verso lo specchio il dorso della mano sinistra, vedrebbero le lancette del Rolex, apparentemente posizionato sul polso virtuale destro, ruotare in senso antiorario. Inoltre, si accorgerebbero che la loro mano sinistra non può sovrapporsi alla sua immagine speculare (né alla mano destra).
Figura 3. Sandro Botticelli, Primavera, particolare del volto di Venere, Galleria degli Uffizi, Firenze.
A proposito della parola mano, l’equivalente parola greca è χείρ; coerentemente con l’etimologia e con quanto prospettato sinora, la chiralità è la proprietà posseduta da due oggetti configurati specularmente, ma non sovrapponibili: la mano destra e la mano sinistra sono due oggetti configurati specularmente, l’immagine speculare di una mano appare identica all’altra mano: ma è impossibile sovrapporre una mano all’altra. A causa della pandemia di Covid-19, stiamo rischiando di perdere un’abitudine inveterata, la stretta di mano: porgevamo la mano destra all’amica o all’amico che ci veniva incontro tendendo il braccio destro. La stretta delle mani destre avveniva persino in Inghilterra, laddove si guida a sinistra (e conseguentemente le rotonde vengono percorse in senso orario).
La parola sinistro, in Italia, evoca il sapore funesto di credenze antiche e profonde. C’è persino chi pensa che, siccome la destra è la mano che benedice, la sinistra sia la mano del diavolo. La gestione dei sinistri occupa un posto d’onore in ambito assicurativo.
Proviamo ora a mettere a fuoco un motivo per cui le società umane non potevano evitare di operare una scelta, alcune optando per il lato destro e altre per il lato sinistro. Agli albori della civiltà, nelle tribù, non era necessario scegliere tra sinistra e destra: quando i nostri progenitori si incontravano percorrendo un sentiero, procedevano evitando istintivamente di scontrarsi. In ogni angolo del pianeta, la destra e la sinistra potevano convivere in armonia, erano in ogni istante egualmente probabili, un po’ come lo è l’esito (testa o croce) del lancio di una monetina. Lo sviluppo dell’organizzazione sociale e della mobilità ha imposto una riduzione di questa simmetria, ha cioè imposto che, localmente, una scelta omochirale - sinistra oppure destra - venisse al più presto compiuta (viene in mente quel guidatore distratto che, ascoltando alla radio l’allarme «c’è un matto che viaggia contro-mano in autostrada» sbotta «un matto? Qui sono tutti matti!»).
In ogni comunità ampia, la scelta fu necessaria, ma il prevalere della sinistra o della destra fu casuale; comunque la scelta, una volta effettuata, ha assunto il ruolo di una regola irrevocabile.
Qualcosa di simile avviene nella chimica. Le coppie chirali di molecole abbondano. I due enantiomeri di ciascuna coppia hanno la stessa formula; tuttavia li si può distinguere fisicamente: se un fascio di luce polarizzata attraversa l’enantiomero destro, R, il piano di polarizzazione della luce ruota in verso orario; viceversa, se attraversa l’enantiomero sinistro o levogiro, L, detto piano ruota in senso antiorario.
Le precedenti considerazioni sulla necessità di optare - destra oppure sinistra - per ordinare il traffico che vivifica le nostre complesse organizzazioni sociali, ci inducono a immaginare che una scelta analoga possa essersi resa necessaria anche per ordinare, alla scala molecolare, le strutture biologiche degli organismi viventi. In altre parole, se cinque miliardi di anni fa la simmetria tra destra e sinistra non fosse stata infranta dovunque nel globo; e se, conseguentemente, nel processo di aggregazione delle bio-macromolecole non fosse emersa una regola - sinistra oppure destra -, non sarebbe stato possibile lo sviluppo della vita: una forma ordinata e quanto mai complessa di autoorganizzazione capace di replicare fedelmente l’informazione genetica da una generazione all’altra.
Dunque, prima o poi, doveva pur nascere un talentoso personaggio in grado di scoprire, e di verificare sperimentalmente, che la vita è omochirale. Nel 2022 si celebra il bicentenario della nascita di Louis Pasteur: un chimico-fisico e microbiologo francese, famoso sia per aver realizzato il vaccino antirabbia sia per i suoi lavori sulla pastorizzazione del latte. Nell’evocare la figura di questo eclettico scienziato, è doveroso segnalare che sua è la scoperta della chiralità e suo è il pionieristico contributo sul ruolo esistenziale della omochiralità delle molecole della vita. Nella storica conferenza da lui tenuta presso la Società Chimica di Parigi il 22 dicembre 1883, Pasteur presentò un compendio dei risultati ottenuti. Qui di seguito, due punti salienti della sua appassionata comunicazione:
- Nel 1874 Pasteur, si accorse che i tanti piccoli cristalli di sali dell’acido tartarico che si formano durante la fermentazione dell’uva possono essere separati in due gruppi configurati specularmente; inoltre le due forme enantiomeriche sono otticamente attive: i due enantiomeri ruotano in versi opposti il piano della luce polarizzata che li attraversa. Gli stessi tartrati, sintetizzati in laboratorio sono invece otticamente inattivi. Con orgoglio, Pasteur comunicava così la sua scoperta della chiralità:
…I principi della asimmetria molecolare erano stati fondati. Esistono delle sostanze molecolari il cui arrangiamento atomico è asimmetrico, e questo arrangiamento si traduce all’esterno in una forma asimmetrica e in una attività ottica del piano di polarizzazione della luce polarizzata. Inoltre questi raggruppamenti atomici hanno i loro possibili inversi che hanno forme identiche a quelle delle loro immagini speculari e una attività inversa sulla luce polarizzata.
- Successivamente egli presentava così gli esperimenti che mettono in luce l’omochiralità della vita:
Ho mostrato che l’acido paratartarico di ammoniaca può fermentare sotto l’influsso di microscopici funghi e che allora compare l’acido tartarico sinistro. L’acido tartarico destro di ammoniaca si decompone. L’acido tartarico sinistro resta intatto. [...] Facendo vivere dei piccoli grani di penicillium glaucum, questa muffa che si trova dappertutto, sulla superficie di ceneri e dell’acido paratartarico, ho visto comparire l’acido tartarico sinistro. Si tratta ancora di asimmetria semplice e ottenuta con un corpo inattivo. Ma anche questa volta, per arrivare a questo risultato è stato necessario, vedete, fare intervenire delle azioni di asimmetria: l’asimmetria dei costituenti naturali dei grani di muffa.
Da allora molta acqua è passata sotto i ponti. È ormai assodato che la vita è omochirale: negli esseri viventi le bio-molecole assumono una sola delle due configurazioni chirali; levogiri sono tutti gli amminoacidi, destrogiri sono tutti gli zuccheri. Ovunque nel mondo! Il nostro organismo reagisce in modo diverso ai due enantiomeri. Per esempio, l’olfatto distingue i profumi agrumati del L-limonene e del suo enantiomorfo, R-limonene, dall’odore diffuso dalla oleosa miscela racemica, in percentuali uguali, delle due molecole enantiomorfe: il fiuto, selettivo, sconfigge la spettroscopia Raman, insensibile a queste differenze strutturali. Un altro esempio - tragico - al quale Roald Hoffmann dedica ampio spazio nel suo La chimica allo specchio, è la talidomide: una molecola chirale, sintetizzata nel 1954 dal chimico tedesco Wilhelm Kunz, con l’intenzione di realizzare, a partire dal valium, un farmaco sedativo. Alla fine degli anni Cinquanta un miscuglio dei due enantiomeri della talidomide fu commercializzato e somministrato - si andava in farmacia senza ricette - a migliaia di gestanti, per combattere la loro insonnia. Sconvolgenti le conseguenze: circa ottomila sventurate dettero alla luce neonati focomelici - come nelle foche, le loro mani attaccate alle spalle, i loro piedi attaccati alle anche. Si scoprì che l’enantiomero destro della talidomide è un blando calmante, e che l’enantiomero sinistro è teratogenico, provoca malformazioni nell'embrione. I processi che seguirono accertarono la superficialità di alcuni medici e l’avidità di alcune case farmaceutiche, colpevoli di aver esitato troppo a lungo prima di bloccare le vendite del ‘farmaco’.
Figura 5. La talidomide. A sinistra, l’enantiomero sinistro, teratogenico; a destra, l’enantiomero destro, un blando sedativo. Il carbonio chirale, al centro di un tetraedro, si lega chimicamente con l’azoto N, due atomi di carbonio e l’atomo di idrogeno, H. I due tetraedri dei due enantiomeri sono configurati specularmente e non sono sovrapponibili, come la mano sinistra (talidomide teratogenica) e la mano destra (talidomide calmante). Il miscuglio racemico dei due enantiomeri fu commercializzato negli anni Sessanta, con conseguenze tragiche.
Quando ci capita di forzare la mano destra a ricevere il guanto sinistro, proviamo un certo disagio. È un disagio che, fuor di metafora, alla scala molecolare può degenerare in una catastrofe. La tragedia della talidomide fu causata appunto dalla incompatibilità tra i ricettori dell’organismo e la coppia degli atomi di azoto, N, e di idrogeno, H, del farmaco, orientati in modo maldestro nell’enantiomero sinistro. Questa tragedia evidenziò fino a che punto può differenziarsi l’attività di due enantiomeri (e del loro miscuglio) sui ricettori del nostro organismo.
Nel 2006, oltre la metà dei farmaci in commercio era chirale e, di questi, circa il 90% consisteva nel miscuglio racemico dei due enantiomeri. Oggi, comprensibile e crescente, anche alla scala nanometrica, è l’impegno delle industrie farmaceutiche sia nella sintesi dei due enantiomeri sia nella loro separazione: per ottimizzare il trattamento terapeutico è necessario eliminare l’enantiomero indesiderato. Nel 2001 tre chimici, William S. Knowles, Ryoji Noyori e K. Barry Sharpless, furono insigniti del premio Nobel per «lo sviluppo di sintesi catalitiche asimmetriche»; nel 2021 la stessa onorificenza fu concessa ai chimici Benjamin List e David W.C MacMillan «per lo sviluppo della organocatalisi asimmetrica».
Pasteur ci ha insegnato che la vita è omochirale. La doppia elica del DNA - l’autostrada lungo la quale corre l’informazione genetica - è levogira; e tale rimane finché c’è vita. Dopo la morte, l’elicità sinistrorsa si attenua, mirando a una configurazione bilanciata: l’elicità del DNA delle mummie egizie è per il 50% sinistrorsa e per il 50% destrorsa.
Figura 6. L’elica levogira e l’elica destrogira (immagine di Valerie Benti).
Un effetto e/o una concausa dell’invecchiamento è un calo pressoché impercettibile dell’elicità sinistrorsa del DNA. Questa tendenza dell’elica sinistrorsa a “racemizzarsi” va di pari passo con l’inefficacia dello sforzo che un organismo maturo fa per mantenersi “squilibrato”, ossia in uno stato quasi stazionario lontano dall’equilibrio. Per chiarire questa affermazione, riportiamo una precisazione di Giuseppe Caglioti tratta dal volume in riferimento: «L’equilibrio e la stazionarietà del pendolo a riposo in un antico orologio scarico, non hanno nulla in comune col cosiddetto equilibrio del “giovane equilibrista” di Pablo Picasso: l’equilibrista è un sistema dinamico che può mantenersi in uno stato pro-tempore stazionario grazie a un flusso entrante di risorse - energia, informazione, materiali o cibo -: un flusso di risorse le quali, allontanando l’equilibrista dall’equilibrio, gli consentono di compensare, istante per istante, le forze di natura gravitazionale che tendono a farlo cadere. Questa compensazione richiede una attività neurofisiologica che solo una creatura talentuosa e allenata può espletare, proprio in virtù del fatto che ella è in grado di mantenersi in non-equilibrio. Pertanto, per esempio, inorridiamo quando valenti economisti utilizzano la parola equilibrio per denotare un sistema economico in uno stato quasi stazionario: le imprecisioni lessicali possono dare adito a errori concettuali».
Figura 7. Pablo Picasso, Acrobata e giovane equilibrista, 1905 (Museo Puskin delle Belle Arti Mosca).
Torniamo all’omochiralità della vita. Chiunque affronti questo argomento, prima o poi si pone la domanda: qual è la “forza” che provoca questa asimmetria? Molti studiosi hanno tentato di rispondere. Tra i più autorevoli, Primo Levi, e Gianni Jona-Lasinio. Primo Levi elenca sette possibili cause. Forte è la tentazione di trascrivere integralmente le sue suggestive argomentazioni, tuttora valide e stimolanti. In sintesi: nei protorganismi potrebbe essersi verificato uno sbilanciamento casuale tra destra e sinistra, che poi si sarebbe amplificato, privilegiando l’attuale configurazione asimmetrica caratteristica degli esseri viventi. Questa causa rassomiglia a quella, condivisa dai cosmologi, responsabile del prevalere della materia sull’antimateria. Essa però comporterebbe che la vita si sia realizzata in un solo posto in uno dei due emisferi della Terra (che appare girare in senso antiorario nell’emisfero Nord e in senso orario nell’emisfero Sud).
Al riguardo, Primo Levi accenna a
un fatto curioso e disturbante. Non so chi sia stato lo sciocco che per primo ha affermato che “l'eccezione conferma la regola”. Non la conferma affatto, la indebolisce e la rende dubbia. Ora, la regola per cui tutti gli amminoacidi dei viventi sono in forma otticamente attiva (cioè non miscele di antipodi) non conosce fin qui eccezioni. Ne ha invece una, la regola secondo cui tutti questi amminoacidi sono della serie sinistra: in alcune nicchie inconsuete, estremamente marginali, amminoacidi della serie destra sono pure stati trovati nella pelle di alcuni batraci esotici, nella cuticola di qualche organismo, forse (se ci fosse conferma, sarebbe un fatto da meditare) in alcune cellule cancerogene. Ma gli amminoacidi destri dei batraci non stanno lì per caso, fanno parte di sostanza ad alta attività fisiologica e se vengono sostituiti dai loro antipodi regolari, cioè sinistri, l’attività sparisce. Hanno dunque una funzione specifica e ce ne sfugge il perché; e perché ci sono solo in quei tessuti e non altrove? Forse una volta la loro presenza era più cospicua, forse sono vestigia di un’epoca biochimica diversa? L’eccezione non conferma la regola, ma confonde le idee
Nella sua postfazione all’articolo di Primo Levi, Gianni Jona-Lasinio osserva che la rottura spontanea di simmetria speculare che caratterizza la chiralità di molecole la struttura delle quali è regolata da forze invarianti per effetto di una riflessione, ha una conseguenza: le molecole chirali sono instabili; e instabile è, alla lunga, ogni loro aggregato:
in realtà - scrive Jona-Lasinio - esistono delle forze che non rispettano la simmetria speculare o quella tra materia e antimateria, ma sono forze estremamene deboli e apparentemente insufficienti a spiegare fenomeni così vistosi. Di queste forze nel suo articolo parla anche Primo Levi, tuttavia esse potrebbero divenire rilevanti in presenza di transizioni di fase in stati di non equilibrio
In conclusione, con la scoperta della chiralità e della asimmetria della vita, Louis Pasteur ha aperto un campo di ricerca tuttora in espansione. L'omochiralità, ossia la asimmetria speculare, è una caratteristica essenziale e esistenziale degli organismi viventi e scandisce il loro sviluppo. Vitale, nella farmacologia, è il ruolo della chiralità. L’origine della asimmetria della vita è tuttora un enigma. Forse, la si potrebbe correlare con una rottura spontanea di simmetria, per certi versi analoga a quella di uno stuzzicadenti che, premuto assialmente, si piega infrangendo la simmetria assiale. Pensiamo a una rottura di simmetria del brodo primordiale allontanato dall’equilibrio, fino a raggiungere uno stato critico: uno stato altamente instabile in cui potrebbe essere determinante la forza estremamente debole, responsabile della asimmetria della distribuzione angolare degli elettroni emessi nel decadimento del Cobalto-60 nella (per gli addetti ai lavori celebre) esperienza di Chien Shung Wu.
