Simulazione numerica e chimica prebiotica

La chimica prebiotica è quel ramo della chimica che si occupa di comprendere i processi che portarono alla formazione di composti organici partendo da molecole inorganiche. Ci sono moltissime ipotesi riguardo alla nascita delle prime strutture biologiche. Ognuna di loro ha una propria validità scientifica e riuscire a trovare quale di queste sia la più verosimile è un compito particolarmente impegnativo che vede cooperare scienziati con estrazioni culturali molto diverse fra loro. Un aspetto di fondamentale rilevanza al momento è lo studio di quei processi chimico-fisici che hanno permesso a composti prebiotici semplici come gli zuccheri e le basi azotate di auto assemblarsi in strutture molecolari con capacità auto replicanti. Uno degli approcci più innovativi e originali nel campo della chimica prebiotica e che sta ottenendo risultati molto promettenti è quello computazionale. Oggigiorno la simulazione numerica rappresenta il terzo paradigma della scienza (insieme all’esperimento e alla teoria) e il suo scopo non è banalmente quello di produrre freddi numeri, bensì quello di fornire un ulteriore strumento di comprensione della natura. È ben noto a tutti che la materia che ci circonda è costituita da atomi tenuti insieme fra di loro a formare molecole attraverso legami chimici che si instaurano tramite la ‘colla’ della materia: gli elettroni. Su un qualsiasi calcolatore, note le leggi che governano la dinamica di un insieme di atomi, è possibile farli evolvere nel tempo. Per studiare la natura delle reazioni che stanno alla base della chimica prebiotica dobbiamo trattare il problema mediante l’uso della meccanica quantistica che è la teoria fisica che regola il comportamento del mondo a livello atomico. Descrivere correttamente come e perché due molecole possono produrre una reazione chimica è piuttosto complicato e solo in alcuni casi il problema è risolvibile analiticamente. Oggi è possibile eseguire delle simulazioni in cui il problema quantistico viene risolto numericamente, seguendo la dinamica del sistema, grazie ad alcuni metodi che prendono il nome di simulazioni numeriche da principi primi (spesso si usa la locuzione latina ab initio), intendendo con principi primi il fatto che la dinamica è quantistica. Il grande passo in avanti che ha permesso a cavallo degli anni ’60 e ’70 di applicare le leggi della meccanica quantistica alle proprietà microscopiche della materia fu fatto dal fisico Walter Kohn, premio Nobel per la chimica nel 1998, che introdusse la teoria del funzionale densità. Tale approccio teorico ha lo straordinario vantaggio di poter essere implementato numericamente permettendo la risoluzione delle complicate equazioni della meccanica quantistica [1]. La teoria del funzionale densità richiede comunque risorse di calcolo estremamente performanti. Nel 1985 i fisici italiani Roberto Car e Michele Parrinello, allora entrambi alla SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) di Trieste, svilupparono l’omonimo metodo che permette di seguire in silico (termine che è sinonimo di simulazione) l’evoluzione dinamica di un sistema di molecole per tempi confrontabili a quelli delle esperienze di laboratorio [2].
In un recente studio pubblicato sulla rivista Chemical Communications, della Royal Society of Chemistry, il nostro gruppo, utilizzando metodi avanzati di dinamica molecolare ab initio ha dimostrato che determinate condizioni prebiotiche, tipiche delle cosiddette ‘pozze primordiali’ in cui erano presenti le molecole inorganiche più semplici, sono in grado di favorire la formazione di zuccheri semplici come l’eritrosio, precursore delle molecole che compongono l’ossatura dell’RNA (acido ribonucleico). Infatti, la sintesi degli zuccheri a partire da molecole più semplici, che possono essere state trasportate sulla terra da meteoriti in epoche primordiali, rappresenta una grossa sfida per gli scienziati che si occupano di chimica prebiotica. La formazione dei primi legami carbonio-carbonio da molecole molto semplici come la formaldeide non può avvenire senza la presenza di un agente esterno capace di catalizzare la reazione: la presenza di tali catalizzatori in ambienti prebiotici, tuttavia, rappresenta ancora un mistero. Nel nostro laboratorio ‘virtuale’ abbiamo simulato una miscela di acqua e glicolaldeide (molecola che è stata osservata nello spazio interstellare e che può essere giunta sulla terra trasportata da meteoriti e comete) ed usato come catalizzatore un campo elettrico di intensità così elevata da simulare il fenomeno della fulminazione [3].

Nell’immagine si possono vedere alcuni passaggi fondamentali della reazione simulata. Infatti, partendo da molecole di glicolaldeide in soluzione acquosa, i reagenti, (pannello a) si passa alla molecola di eritrosio, il prodotto (pannello c). Nel pannello intermedio (TS sta per stato di transizione) avviene la vera reazione chimica grazie alla presenza del campo elettrico che insieme all’azione delle molecole d’acqua rompe i legami delle molecole di glicolaldeide favorendo la formazione di altri legami carbonio-carbonio. In sintesi, in questo lavoro abbiamo riprodotto quella reazione che in chimica viene chiamata formose reaction, inibita energeticamente in assenza di un agente catalizzatore, e che porta alla formazione degli zuccheri a partire dalla formaldeide. Peraltro, l’uso di un campo elettrico esterno che funga da catalizzatore delle reazioni primarie che portano dalle molecole semplici presenti, in una terra primordiale, a molecole più complesse come gli aminoacidi è stato già testato in un esperimento numerico dal nostro gruppo nel 2014 [4]. Infine, nel campo della chimica prebiotica le potenzialità dell’approccio computazionale sono enormi, perché permettono di analizzare in modo molto specifico, come se guardassimo con un microscopio teorico, i meccanismi molecolari delle reazioni chimiche alla base dei processi che hanno portato alla formazione delle molecole della vita [5]. Le applicazioni future riguarderanno lo studio di altri processi chimico-fisici relati alla costituzione di molecole sempre più complesse che vanno dalla sintesi delle basi azotate attraverso lo studio del legame peptidico fino alla formazione degli acidi nucleici.
 

1. D. Marx and J. Hutter, Ab initio Molecular Dynamics – Basic Theory and Advanced Methods, (2009) Cambridge University Press
2. R. Car and M. Parrinello, Physical Review Letters, 55 2471 (1985)
3. G. Cassone, J. Sponer, J. E. Sponer, F. Pietrucci, A. M. Saitta, F. Saija, Chemical Communications, 54 3211 (2018)
4. A. M. Saitta and F. Saija, PNAS, 111 13768 (2014)
5.  J. E. Sponer, R. Szabla, R. W. Gora, A. M. Saitta, F. Pietrucci, F. Saija, E. DI Mauro, R. Saladino, M. Ferus, S. Civis, J. Sponer, Physical Chemistry Chemical Physics, 18 20047 (2016)

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