Il mistero dell’omochiralità

La chiralità è una proprietà delle asimmetrie importante in diversi campi della scienza. Un oggetto o un sistema di oggetti è chirale se non è identico alla propria immagine speculare. Il nome deriva dal greco χειρ, cheir, che significa “mano”, il tipico oggetto chirale (*). Infatti la mano sinistra è un’immagine speculare non sovrapponibile di quella destra. Questa differenza nella simmetria diventa ovvia quando si cerca di stringere la mano destra di una persona usando la mano sinistra, oppure quando si vuole indossare un guanto sinistro sulla mano destra. Anche una vite, che può avere un filetto che ruota in senso orario o antiorario, è un oggetto chirale. Al contrario, un chiodo è identico e sovrapponibile alla propria immagine speculare, quindi non è chirale. 

Un oggetto chirale e sua immagine riflessa sono detti enantiomorfi (“di forma opposta). Un oggetto non chirale viene chiamato achirale, o, talvolta, anfichirale, e può essere sovrapposto alla sua immagine speculare. 

In matematica, una figura è chirale se non può essere sovrapposta alla sua immagine riflessa ricorrendo solamente a rotazioni e traslazioni. In geometria piana, un poligono è chirale se e solo se non ha un asse di simmetria. Perciò i poligoni regolari non sono chirali, e neppure i triangoli isosceli, mentre i triangoli scaleni sono tutti chirali. Nella figura, il poligono rosso è chirale, mentre il pentagono giallo e il cerchio blu non lo sono. In geometria solida, ogni figura che possiede un piano o un centro di simmetria è achirale, come ad esempio i solidi platonici: ciascuno di questi ammette infatti numerose simmetrie, di cui la metà sono riflessioni. 

Il concetto di chiralità in chimica è un elemento fondamentale per la descrizione della struttura delle molecole e per comprenderne le interazioni. Due molecole identiche in tutto, salvo l'essere una l'immagine speculare dell'altra tra loro non sovrapponibili, sono dette enantiomeri, come ad esempio accade per l’acido lattico.

Due molecole tra di loro enantiomere possiedono le medesime proprietà fisiche, tranne il fatto di ruotare la luce polarizzata in direzioni opposte (potere rotatorio). Se ruota il piano di vibrazione della luce polarizzata in senso orario (da sinistra a destra) la molecola è detta destrogira (o destrorotatoria), mentre se la rotazione avviene in senso antiorario (da destra a sinistra) è detta levogira (o levorotatoria). Le molecole enantiomere assumono lo stesso comportamento chimico nei confronti di sostanze non chirali. Diversa è invece la loro interazione chimica nei confronti delle altre molecole chirali. Ad esempio, una molecola chirale utilizzata come farmaco può dare benefici effetti per trattare determinati sintomi, mentre il suo enantiomero può dare effetti collaterali anche gravi. 

Sulla Terra, quasi sempre, gli organismi biologici producono un solo enantiomero di una molecola chirale. Spesso nei sistemi viventi solo uno dei due enantiomeri di una coppia viene coinvolto nei cicli metabolici. Ad esempio, gli organismi viventi utilizzano per la sintesi delle proteine quasi esclusivamente gli amminoacidi levogiri e i carboidrati destrogiri. Si parla a proposito di omochiralità. 

Questa caratteristica omochiralità biomolecolare non ha ancora una spiegazione, al punto che la domanda

compare nello speciale So Much More to Know…, pubblicato dalla rivista Science in occasione del suo 125° anniversario (2005), tra le 125 domande alle quali la scienza non ha ancora saputo dare una risposta.

Non è infatti accertato se l’omochiralità nel vivente abbia uno scopo, per quanto essa appaia come una forma di archiviazione di informazioni. Si è suggerito che essa riduca le barriere entropiche nella formazione di grandi molecole organizzate e si è verificato sperimentalmente che gli aminoacidi formano aggregati in maggiore abbondanza da substrati enantiopuri (formati dallo stesso enantiomero, ad esempio quello levogiro) piuttosto che da substrati racemici (formati da una mescolanza in pari quantità dei due enantiomeri). 

È anche del tutto possibile che l’omochiralità derivi semplicemente dal naturale processo di auto-amplificazione della vita, sia che la formazione della vita abbia “scelto” una forma di chiralità invece dell’altra (la vita determina la chiralità), sia che le chiralità delle biomolecole siano emerse a causa di una “battaglia ancestrale” tra gli enantiomeri “vinta” da quelli che oggi osserviamo (la chiralità determina la vita). In questa seconda ipotesi, la rottura della simmetria chirale è provocata dall’introduzione di instabilità nella mistura racemica (simmetrica), che possono essere dovute alle condizioni ambientali. 

Nella figura è illustrato un modello a 2 dimensioni di evoluzione di una polarità chirale da una mistura racemica. L’ipotesi è quella di considerare questa evoluzione come la rottura di simmetria in un sistema bifase con transizioni di fase continue. L’evoluzione spaziotemporale porta a domini chirali separati da sottili interfacce, che rimangono in equilibrio a causa della tensione superficiale fino a che effetti dovuti all’ambiente rompono la loro stabilità e il sistema va verso un assetto enantiopuro. Il rosso (+1 sulla barra dei colori) corrisponde alla fase levogira, il blu (-1 sulla barra dei colori) alla fase destrogira. Il tempo scorre da sinistra a destra e dall’alto verso il basso. In alto a sinistra è la condizione iniziale racemica. In alto al centro e a sinistra è illustrata l’evoluzione dei due domini chirali separati. In basso a sinistra, gli effetti ambientali rompono la stabilità della struttura delle interfacce. Infine, in basso a destra, l’evoluzione della tensione superficiale conduce al prevalere di uno dei due enantiomeri. 

È opinione diffusa che la selezione chirale sia avvenuta a livello molecolare e che la risultante complessità delle specie molecolari portò all’emergenza della vita. Questa idea si basa sull’argomento che la vita non potrebbe esistere né si potrebbe essere originata senza l’asimmetria biomolecolare, ed è supportata da esperimenti che dimostrano che le conformazioni specifiche di entità strutturali fondamentali come l’alfa elica o il foglietto beta delle proteine si possono formare solo da blocchi costruttivi enantiopuri. Si ritiene perciò che le condizioni prebiotiche necessarie per il successivo sviluppo di molecole complesse dovevano essere chirali. 

E’ probabile che l’ambiente estremo della Terra primordiale abbia giocato un ruolo cruciale nella genesi delle biomolecole chirali, potendo aver determinato una specifica strada, tanto remota da non poter essere più rintracciata, qualunque sia stata la sua origine (vulcanesimo attivo, bombardamento meteorico, ecc.). La chiralità della vita è intrecciata con la storia ambientale delle ere più antiche del pianeta e di come essa ha condizionato l’abiogenesi, cioè l’emergere della vita a partire dalla materia inorganica attraverso processi naturali. 

L'omochiralità potrebbe essere emersa con un meccanismo analogo a quello degli equilibri punteggiati proposto da Gould e Eldredge nell’ambito della teoria dell'evoluzione per selezione naturale, secondo la quale i cambiamenti evolutivi avvengono in periodi di tempo brevi (a scala geologica), sotto l'impulso di forze selettive ambientali; questi periodi di variazione evolutiva sarebbero intervallati da lunghi periodi di stabilità evolutiva. 

La “chiralità punteggiata” sarebbe così un’estensione dell’ipotesi di Gould e Eldredge ai tempi prebiotici, durante i quali solo in particolari brevi periodi le condizioni ambientali possono aver favorito l’emergere della chiralità preferenziale all’interno di miscele di molecole adatte, chiralità che potrebbe essere anche stata distrutta in successive fasi attive e poi essere ricomparsa, magari in più luoghi e tempi, secondo un meccanismo di selezione ambientale dell’enantiomero più adatto allo sviluppo della vita. 

Possiamo infine chiederci, in un’epoca in cui si scoprono sempre nuovi esopianeti e ferve la ricerca di forme di vita al di fuori della Terra, se l’omochiralità riscontrata sul nostro pianeta possa essere considerata una caratteristica universale. Che tipo di chiralità potrebbero mostrare molecole di aminoacidi o carboidrati eventualmente scoperti su Marte, su Titano, o su un lontano pianeta di un diverso sistema stellare? Alla luce di quanto visto, l’ambiente determina i fattori per l’emergere della vita, oppure può distruggerla subito dopo che si è sviluppata, oppure ancora può essere talmente ostile da non consentire mai il suo sviluppo. C’è da considerare che la storia della vita su un pianeta riflette la storia della vita del pianeta stesso. Se le condizioni ambientali sono, o sono state, diverse da quelle terrestri, nulla vieta che in futuro si possano scoprire nel cosmo biomolecole con chiralità diversa da quella terrestre.

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(*) Wikipedia in inglese sostiene che il termine chiralità fu utilizzato per la prima volta da Lord Kelvin in una conferenza tenuta a Baltimora nel 1904: 

"The term was first used by Lord Kelvin in an address in 1904. In a lecture given in Baltimore on "Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light" he stated: "I call any geometrical figure, or group of points, 'chiral', and say that it has chirality if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself" ."

La parola indubbiamente nasce nell’ambiente dei fisici scozzesi di cui William Thomson, lord Kelvin, faceva parte con James Clerk Maxwell e Peter Guthrie Tait, impegnati intorno al 1860 nella ricerca sulla topologia dei nodi all’interno della teoria kelviniana degli atomi-vortice. È probabile che essa sia stata coniata proprio da lui. Tuttavia, il concetto di chiralità non fa la sua pubblica comparsa solo nel 1904, visto che Maxwell, nell’ultima poesia scritta qualche mese prima di morire per un tumore nel 1879, la Paradoxical Ode, proprio nel primo verso, utilizza il termine anfichirale: 

 My soul’s an amphicheiral knot 

Upon a liquid vortex wrought 

By Intellect in the Unseen residing, 

(…) 

Che avevo tradotto così: 

La mia anima è un nodo riflessibile, 

allacciato su un vortice liquido 

dall'Intelletto che abita l’Invisibile, 

(…)

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Marcelo Gleiser, Sara Imari Walker (2012). Life's Chirality From Prebiotic Environments. Plenary talk delivered at the São Paulo Advanced School of Astrobiology, São Paulo, December 2011. In press, Int. J. Astrobio. arXiv: 1202.5048v2