L'acqua serve come mezzo in cui avvengono tutti gli scambi chimici, senza dei quali la vita non può esistere. Per comprendere le basi chimiche della vita è perciò fondamentale capire come le proteine interagiscono attraverso scambi chimici.

L'importanza delle reazioni chimiche per la vita
Tutte le manifestazioni della vita dipendono da trasformazioni chimiche. Queste trasformazioni avvengono quando raggruppamenti di atomi (molecole) guadagnano, perdono o riorganizzano i loro atomi. Una classe di proteine, gli enzimi, si lega a molecole specifiche e facilita la loro trasformazione chimica. In E. coli ci sono circa 3000 tipi diversi di enzimi che facilitano 300 reazioni chimiche diverse.
Gli enzimi velocizzano le reazioni in modo enorme. Ciò potrebbe rivelarsi un problema notevole, perché a reazione completata viene raggiunto lo stadio finale - noto come equilibrio - e non si verificano più scambi chimici. Ma siccome la vita dipende proprio da questi scambi, quando tutte le reazioni raggiungono il loro punto d'arrivo la cellula muore.
Incredibilmente, nella materia vivente nessuna reazione raggiunge mai l'equilibrio. Ciò avviene perché le trasformazioni chimiche sono collegate in modo tale che il prodotto di una reazione forma la sostanza che dà avvio alla successiva. Se le molecole biologiche fossero rappresentate da lettere maiuscole dell'alfabeto, una sequenza tipica di conversione chimica avrebbe l'aspetto di figura 1.

Tale sequenza, o "percorso biochimico", assomiglia a una catena di montaggio di un'industria. Il prodotto finale di questo percorso specifico, la sostanza F, viene utilizzato dalla cellula, perciò non si accumula. Nella materia vivente si tiene traccia di ognuna delle milioni di molecole (Tabella 1). Ogni carenza o eccesso risulta immediatamente in un aggiustamento dei tassi delle trasformazioni chimiche.
La tabella 2 mostra che in una cellula vivente la materia è organizzata secondo gerarchie sempre più complesse. Esistono dei percorsi biochimici che conducono da sostanze semplici a sostanze complesse. L'interdipendenza tra componenti cellulari nella direzione verticale è analoga alla relazione logica esistente nel linguaggio scritto tra lettere, parole, frasi fino ad arrivare a un libro.

Tuttavia in biologia il grado di tolleranza degli errori è molo più basso. Un testo potrebbe non essere inutile anche se vi fossero parole scritte male, frasi ingarbugliate o paragrafi mancanti. Le cellule invece si troverebbero in guai seri se gli mancasse una piena complementarità delle parti, perché necessitano di una stretta interdipendenza delle loro componenti.
Tra le cellule c'è anche una complementarità di tipo orizzontale. Le proteine per esempio non possono essere prodotte senza il contributo degli acidi nucleici e gli acidi nucleici non possono essere prodotti senza le proteine (Vedi Tabella 2). Da una prospettiva di chimica evolutiva questo problema ricorda quello classico dell'uovo e la gallina.
Ogni percorso biosintetico è controllato in modo che i suoi prodotti siano regolati per i bisogni della cellula. La vita della cellula dipende dall'armoniosa e simultanea attività delle sue molte componenti. In una crescita equilibrata esiste uno stato stazionario; ci sono cioè solo minime perturbazioni nel flusso di materia lungo i percorsi biochimici. Siccome nessuna delle reazioni raggiunge il suo punto finale, ognuna delle migliaia di reazioni chimiche interconnesse rappresenta uno stato stazionario di non equilibrio.

Gli sforzi della chimica evolutiva
Se nella natura esistono forze che generano la vita, dovremmo cercarle con caparbietà per poterle utilizzare. Se l'abiogenesi è possibile, potrebbe esser impiegata per riportare in vita cellule, organi e anche organismi. Creare materia vivente o rendere la morte reversibile non sarebbero forse i più significativi traguardi scientifici raggiunti dall'umanità?
Tuttavia la storia della biochimica suggerisce che questi siano scenari improbabili. Negli anni '20, quando Hoparin e Haldane per primi proposero che la vita si era originata spontaneamente in una terra primordiale, la biochimica era ancora ai primordi. Il loro concetto era esso stesso un'elaborazione dell'idea di Darwin che la vita avesse avuto origine in qualche pozza calda². Il primo percorso metabolico fu descritto solo negli anni '30. La struttura e la funzione del materiale genetico cominciarono ad essere compresi negli anni '50. La prima sequenza di aminoacidi di una proteina, l'insulina, fu mappata nel 1955 e la prima sequenza nucletodica del cromosoma di un organismo vivente fu pubblicata nel 1995.
A mano a mano che le basi chimiche della vita cominciarono ad essere meglio comprese, risultarono essere molto più complesse di quanto originariamente immaginato. A quel punto i primi suggerimenti di abiogenesi avrebbero dovuto essere riconsiderati. La scienza invece, si imbarcò in un viaggio lungo mezzo secolo per dimostrare la plausibilità della generazione spontanea.
I primi esperimenti in questo senso furono compiuti da Stanley Miller, che nel 1953 riferì della sintesi di aminoacidi ed altre sostanze organiche in presenza di condizioni primordiali simulate³. Successivamente emerse una sottodisciplina che fornì evidenza di laboratorio della produzione di 19 dei 20 aminoacidi, di quattro delle cinque basi azotate necessarie alla sintesi degli acidi nucleici, di monosaccaridi e di acidi grassi, tutti in presenza di varie ipotetiche condizioni primordiali⁴. Siccome tutte queste sostanze sono i componenti di cui sono costituiti i grandi biopolimeri, la possibilità della produzione dei biopolimeri primordiali sembrò divenire plausibile.
Tuttavia non fu possibile collegare i mattoni di base in catene di polimeri. Ogni legame tra componenti di base richiede la rimozione di molecole d'acqua. Ciò è praticamente impossibile nell'ambiente acquoso dell'oceano primordiale. In condizioni primordiali simulate è stata prodotta della materia simile alle proteine, riscaldando polvere di aminoacidi ad alte temperature. Tuttavia questi "proteinoidi" erano aminoacidi collegati a caso da legami non naturali⁵ e rassomigliano molto poco alle proteine reali.
I nucleotidi, i componenti di base degli acidi nucleici, non sono stati sintetizzati in condizioni primordiali simulate. Si tratta infatti di un obiettivo formidabilmente difficile, che richiede il collegamento di una base purina o pirimidina ad uno zucchero e di quest'ultimo ad un fosfato. Qui il problema non è solo la rimozione d'acqua, ma il fatto che questi tre componenti possono legarsi in dozzine di modi diversi. E tutte le combinazioni, eccetto una, sono biologicamente irrilevanti. Inutile dirlo, gli acidi nucleici non sono stati sintetizzati.
Eppure ciò non ha impedito a molti scienziati di postulare che le prime cellule viventi contenessero principalmente acidi ribonucleici. Questa ipotesi di un "mondo RNA" acquistò popolarità dopo che fu scoperto che certe molecole di RNA possedevano un'attività catalitica. Prima di allora si pensava che la catalisi fosse di esclusiva pertinenza delle proteine.
Anche se non è possibile produrre bipolimeri biologicamente utili in condizioni primordiali simulate, possiamo ottenerli da cellule precedentemente viventi. Mescolando questi biopolimeri isolati, si accorcia l'evoluzione chimica rendendo possibile osservare se la vita può originarsi da una simile mistura. Ma in questi preparati tutto è in uno stato di equilibrio. Come abbiamo visto, la vita si verifica solo quando tutti gli eventi chimici in una cellula sono in uno stato di disequilibrio, e dunque il massimo che si può ottenere con questo metodo è l'assemblaggio di cellule morte.

Come creare materia vivente
Sappiamo esattamente come creare materia vivente: in primo luogo si dovrebbero progettare e sintetizzare qualche migliaio di macchine molecolari, in grado di trasformare sostanze semplici, comunemente disponibili nell'ambiente, in biopolimeri complessi. In secondo luogo bisognerebbe assicurarsi che questi apparati fossero in grado di autoriprodursi. Per terzo dovremmo accertarci che queste unità possano percepire il loro ambiente e adattarsi ad ogni suo cambiamento. A quel punto si tratterebbe solo di far partire simultaneamente centinai di percorsi biochimici, mantenendo uno stato di non equilibrio in ogni reazione chimica, assicurando una fornitura continua di materia grezza di partenza e provvedendo ad uno smaltimento efficace degli scarti.
Un requisito minimo per creare apparati biologici così complessi è un'assoluta familiarità con la materia a livello atomico e molecolare. Progettare cellule viventi richiede un controllo totale su ogni molecola, grande e piccola. La scienza non possiede una simile capacità. I chimici possono manipolare da una forma all'altra un grande numero di molecole, ma non possono trasportare molecole specifiche attraverso membrane per invertire delle condizioni di equilibrio. E' per questa ragione che la morte è un processo irreversibile.
Come si è originata allora la vita sulla terra? Questo articolo ha rivelato la grande discrepanza tra la biochimica della materia vivente e le affermazioni di coloro che spiegano le sue origini con l'abiogenesi spontanea. Cinquant'anni di ricerca biochimica hanno mostrato inequivocabilmente che l'abiogenesi spontanea è impossibile in ogni condizione. E' solo questione di tempo prima che l'edificio chiamato "evoluzione chimica" crolli sotto il peso dei fatti.
Per il credente nel racconto biblico della creazione, l'asserzione che solo il Creatore può creare la vita non è un argomento da "God of the gaps"⁶. Oggi abbiamo un'idea molto chiara di cosa serve per creare la vita, e dobbiamo riconoscere che non siamo in grado di produrla. La vita stessa diventa così evidenza a favore di un Creatore onnisciente che, avendone la capacità, scelse di crearla e di condividerla con noi.

Gorge T. Javor (PhD., Columbia University) insegna biochimica alla Loma Linda University, Loma Linda, California. Il suo indirizzo email è: gjavor@som.llu.edu

¹ S. Lander e 253 altri, "Initial sequencing and analysis of the human genome", Nature 409 (2001): 2001. Vedi anche J.C. Vent e 267 altri, "The sequence of the human genome", Science: 291 (2001): 1304. Torna indietro

² F. Darwin, The Life and the Letters of Charles Darwin (New York: D. Appleton, 1887), II: 202. Lettera scritta nel 1871 Torna indietro

³ S.L. Miller, "A Production of Amino Acids Under Possible primitive earth Conditions", Science 117 (1953): 528. Torna indietro

⁴ C.B. Thaxton, W. L. Bradley e R.L. Olsen, The Mystery of Life's Origins (New York: Philosophical Library, 1984), p. 38. Torna indietro

⁵ S.W. Fox e K. Dose, Molecular Evolution and the Origin of Life (New York: Marcel Dekker Publishing co., 1977), seconda edizione. Torna indietro

⁶ Con "argomento da God of the gaps" si intende un processo o una realtà talmente complessi che sembra impossibile spiegarli con meccanismi naturali. Il vuoto di comprensione viene colmato invocando l'azione soprannaturale di Dio. Da qui l'espressione "God of the gaps", che significa "Dio tappabuchi" (n.d.r.). Torna indietro