Il DNA “capisce” la meccanica quantistica

Una collaborazione israeliana e tedesca sembra dimostrare che il DNA sia in grado di distinguere lo stato quantico conosciuto come “spin”. La biologia si avvicina sempre più alla fisica dell’estremaente piccolo e forse può aiutarla nello studio della sua parte più complicata.

DNA

Se fino a poco tempo fa si fosse fatta la seguente domanda: “Possono I principi della meccanica quantistica essere applicati ai sistemi biologici?”, molti si sarebbero messi a ridere e avrebbero detto: “E’ come se volessimo confrontare le arance con le mele!”. Ed invece sembra che una molecola di notevoli dimensioni, proprio il DNA, sia in grado di districarsi tra i vari stati quantici chiamati “spin”. Non voglio certo andare nei dettagli della meccanica quantistica in questo articolo (lo farà tra non molto il nostro caro Red Hanuman), ma solo mostrare che la vita biologica può aiutare a penetrare i segreti di ciò che potrebbe spiegare le fasi iniziali dell’Universo dopo il Big Bang. Finiremo mai di stupirci davanti alle meraviglie che ci circondano sia all’esterno che al nostro interno?

E’ normalmente assodato che i fenomeni quantici possano avvenire in sistemi fisici di dimensioni limitatissime, come atomi singoli e al più piccole molecole. Per poter studiare questo microcosmo, gli scienziati sono costretti a raffreddare la materia fino a sfiorare lo zero assoluto. Se essa infatti cresce anche di poco, così come le dimensioni del sistema, le proprietà quantiche collassano e la fisica normale ne prende il posto. Le molecole biologiche sono piuttosto grandi e lavorano normalmente a temperature ben più alte di quelle a cui si devono compiere gli esperimenti della fisica dei quanti. Uno si aspetterebbe che alcuni fenomeni tipici dei quanti, come lo “spin”, che esiste in due stati opposti, vengano completamente mischiati nelle molecole biologiche e perdano di qualsiasi significato.

Tuttavia, alcune molecole biologiche hanno una proprietà particolare, sono “chirali”, ossia possiedono la proprietà di avere un’immagine speculare non sovrapponibile a sé come avviene, appunto, nel caso di una mano. In altre parole, queste molecole esistono sia in forma sinistrorsa che destrorsa e non possono mai sovrapporsi una all’altra. Le molecole di DNA a doppio filamento sono doppiamente chirali, sia nella disposizione dei filamenti, sia nella direzione di avvolgimento della spirale ad elica.

Da studi precedenti, il gruppo di ricercatori guidati dal prof. Naaman, avevano già notato che alcune molecole chirali interagivano in modo diverso con stati di spin diversi. Gli ultimi esperimenti sono andati ben oltre, dimostrando che il DNA ha addirittura la capacità di selezionare lo stato di spin che preferisce.

L’esperimento si basa sulla costruzione di uno strato unico di molecole di DNA, attaccato a un substrato di oro. Questa sottilissima pellicola è stata esposta a un gruppo misto di elettroni, con entrambe le direzioni di spin. Il risultato è stato stupefacente. Le molecole biologiche hanno reagito istantaneamente e con forza con gli elettroni di un certo spin, mentre hanno evitato in tutti i modi il “contatto” con quelli di spin opposto. In particolare, le più lunghe sono state anche le più efficienti nell’operare questa rapidissima selezione. La proprietà selettiva decadeva drasticamente per DNA a singolo filamento o che presentava qualche danneggiamento nella catena.

Se ne è derivato che questa capacità eccezionale di scelta deriva dalla natura chirale delle molecole, veri e propri selezionatori di elettroni da un punto di vista quantistico. In altre parole, esse agiscono come “filtri” straordinari per particolari elettroni.

Le prime ricadute sono ovvie ed enormi nel $campo$ della spintronica (elettronica degli spin) che unirebbe sia la parte elettronica che quella magnetica dell’elettrone. I più avanzati calcolatori elettronici cercano attraverso le nanotecnologie di poter sfruttare le proprietà quantistiche degli elettroni. La natura ci fornisce un discriminatore già costruito e funzionante.

Non parliamo poi delle ricadute in $campo$ medico, sia in fase di diagnosi che di cura, in cui si potrebbero sfruttare le capacità delle molecole di interagire con elettroni di un certo carattere quantico.

E chissà che non possano insegnarci qualcosa anche sulle prime $fasi$ dell’Universo… mai dire mai!

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15 Commenti

  1. E vai, Enzo adesso stai ha vedere che cerchiamo in fisica la Grande Unificazione delle Forze e ci ritroviamo una Grande Unificazione delle Scienze.
    D’altra parte il Tutto avrà cose comuni o no?

  2. A proposito, dimenticavo, CHE BELLO! Ancora una volta tocchiamo con mano cosa è questo meraviglioso sito.

  3. Che bello stò articolo!
    Cmq la cosa non mi stupisce più di tanto,che si creda o no in Dio,la nostra bolla universo e regolata da leggi al suo interno,e la materia e l’energia dalla sub particella al più complesso Dna fanno parte del tutto cosmico e poi non dimentichiamola mai la famosissima equazione Einsteniana E=mc2 cioè l’energia si ottiene dalla materia,ma anche della materia si può ottenere energia!
    ok Ciao a tutti continuate a pubblicare questi super post sono magnifici!
    :mrgreen:

  4. Straordinario!
    @Lionello,@raffaele:
    come potete non stupirvi difronte a questa scoperta….
    ma è una cosa colossale,vi immaginate le immense possibilità che si possono aprire da questa scoperta.Ci rendiamo conto o no di quanto questa scoperta possa considerarsi fantascientifica!Oso e viaggio con la mente nella remota possibilità (avendo lo spin come discriminante) di poter vedere (utilizzando forme evolute di un S.E.M. o E.S.E.M.) le molecole del DNA, non più come massa grossolana e visibile solo superficialmente ma come filamento.Insomma la possibilità di aumentare ingrandimento e risoluzione.é semplicemente straordinario,è la scintilla vitale!
    Non vorrei esagerare,se lo faccio rimproveratemi,ma veramente questa scoperta è come scoprire la vita su marte,intesa come essere cosciente.é ciò che separa il vivente (batteri ed esseri più evoluti) dal non vivente(virus).
    😯

  5. concordo con Gimbo. Se la notizia fosse vera e applicabile, cambierebbe completamente la visione della medicina e di chissà quante altre scienze. Sicuramente potrebbe avere ricadute negative (l’uomo è bravissimo in questo), ma è un dono della natura e come tale va sfruttato al meglio. La stessa astrofisica avrebbe un aiuto impensato… 😆

  6. Caro Enzo e cari amici, finalmente ho la spiegazione di un mistero che assilla noi chimicastri da sempre.
    La chiralità delle molecole è una delle prime proprietà che si studiano, per via del fatto che le molecole chirali si possono distinguere tra di loro tramite la polarizzazione della luce, e dunque è abbastanza semplice scoprire se una molecola è levogira o destrogira.
    Non si era mai capita però la preferenza della natura per le molecole levogire.
    In effetti, le molecole destrogire il più delle volte non possono essere metabolizzate, e a volte sono anche tossiche.
    Adesso, tutto ha più senso……

  7. @Red,
    con concetti semplici piacerebbe sapere anche a me perchè adesso tutto ha più senso. Quando ho studiato chimica avevo pensato ad una scelta casuale dell’evoluzione, come in tante altre cose inspiegabili. però prima o poi le spiegazioni arrivano….
    Grazie

  8. @gimbo: Io non mi stupisco non perché non sia entusiasta; semplicemente perché so che DNA umano ed il resto dell’Universo sono espressioni della stessa realtà.

    Era solo questione di tempo (e forse di iniziativa) cominciare a mettere insieme biologia e fisica.

  9. @enzo
    piccola critica enzo….dovevi pubblicarlo un anno fa perchè mi sarebbe servito nella mia tesi in biotecnologie :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: ho trattato appunto sulla chiralità
    devo dire che come analisi su sostanze chirali siamo molto all’avanguardia, non esiste un’unica tecnica ma molte tecniche i cui dati vanno uniti insieme per ottenere l’informazione finale…capire nei dettagli tutto ciò che hai scritto enzo avrà sicuramente ricadute sui farmaci…perchè farmaci levogiri o destrogiri hanno diverso effetto e fino ad ora per molti di questi si tratta di racemi

  10. @red
    se il nostro dna ha preferenze levogire gli enzimi in grado di metabolizzare e fare tante altre cose si sono adattati di conseguenza…di conseguenza non siamo in grado di tagliare molecole destrogire le quali possono come dici rivelarsi tossiche….
    dal punto di vista farmaceutico questo si riflette sul fatto che molte volte non si riesce a produrre il farmaco nelle due forme in maniera distinta tali da adottare una piuttosto che l’altra…cosi si fa una miscela..quindi è come se fosse contaminato e in passato ciò ha creato non pochi problemi.

  11. @ Peppe: Penso che ti riferisca al Talidomide (ma non solo, ovviamente).
    Quantomeno, è la prima cosa che mi è venuta in mente leggendo l’articolo…
    @ Gaetano: Direi che ti ha già risposto egregiamente Peppe.
    Resta da capire perché il DNA ha queste preferenze levogire.
    Probabilmente, col tempo risulterà che le molecole levogire comportano dei vantaggi in termini energetici e di efficienza, dovuti proprio alla loro selettività nei confronti dello spin elettronico.

    Ultimamente, vedo una convergenza tra l’infinitamente grande e l’infinitamente piccolo.
    Oltre a questa notizia, che implica connessioni impensate tra meccanica quantistica e macro molecole, sono stati trovati nessi tra relatività e mondo degli atomi.
    Per esempio, poco tempo fa è stato scoperto che una grossa fetta del potere di accumulazione delle batterie al Piombo è dovuto agli effetti della relatività sugli elettroni dei gusci più interni del Piombo.

    Che avessero ragione gli antichi, quando sostenevano “Come in cielo, così in terra”?….. 😯 :mrgreen:

  12. cari tutti,
    gran bella discussione, accidenti! Avete espresso idee e concetti che condivido in pieno e che reputo molto interessanti per tutti i lettori. Grazie! 😛

  13. Segnalo che, seppure, al momento, in un romanzo (Metamorfer. La gemma di Darwin) è stata presentata una nuova teoria evoluzionistica che mette in relazione l’evoluzione con le forme mimetiche e con la fisica quantistica (paradima olografico di Bohm). In rete esistono numerosi link sull’argomento. La nuova teoria è chiamata “plasticismo evolutivo”.