Una proteina a due teste cammina lungo i binari interni della cellula, una cerniera lampo di proteine unisce due membrane, delle porte molecolari sciolgono gli intrecci del DNA prima che la cellula si divida.
Che cosa accomuna una valvola di sicurezza, un collare scorrevole e una cerniera lampo? Sono dispositivi nei quali la disposizione delle parti risponde a vincoli fisici ben precisi. Gli ingegneri li hanno sviluppati cercando soluzioni a problemi pratici, attraverso calcoli, esperimenti e successive modifiche dei progetti. Eppure, all’interno delle cellule, esistono macchine molecolari che applicano gli stessi princiìpi, sebbene siano comparse attraverso la selezione naturale, a partire da variazioni genetiche ereditarie.
Come possono processi tanto diversi arrivare a risultati simili? La risposta comincia dai problemi che queste macchine devono risolvere, perché le leggi della fisica stabiliscono quali soluzioni possono funzionare e quali, indipendentemente dalla loro origine, sono destinate a fallire.
La valvola di sicurezza molecolare
Un recipiente che contiene un liquido sotto pressione deve poter sopportare le forze esercitate sulle sue pareti. Quando la pressione aumenta oltre un certo limite, il recipiente rischia di rompersi. Per proteggerlo occorre un dispositivo che rimanga chiuso durante il normale funzionamento e si apra spontaneamente quando la sollecitazione diventa pericolosa.
Gli ingegneri hanno risolto il problema con le valvole di sicurezza. Una molla mantiene un otturatore premuto contro un’apertura, mentre la pressione interna esercita una forza in direzione opposta. Superata una determinata soglia, l’otturatore si solleva e lascia uscire il fluido, riducendo la pressione. La valvola si richiude quando la forza esercitata dalla molla torna a prevalere.
Anche i batteri devono affrontare un problema simile. Quando una cellula batterica viene trasferita improvvisamente in un ambiente molto più diluito rispetto al proprio contenuto, l’acqua tende a entrare attraverso la membrana. L’aumento del volume cellulare può mettere in pericolo l’integrità dell’involucro, soprattutto se il cambiamento è molto rapido.
L’evoluzione ha prodotto una valvola molecolare chiamata MscL, costituita da cinque subunità proteiche inserite nella membrana. In condizioni normali, le proteine delimitano un canale chiuso. Quando la membrana viene sottoposta a una tensione elevata, la disposizione delle subunità cambia e il canale si apre, permettendo la fuoriuscita di piccoli soluti. La conseguente riduzione della differenza di concentrazione tra interno ed esterno limita l’ingresso di acqua e protegge la cellula.
La soluzione è notevole perché la stessa sollecitazione che minaccia la cellula provoca l’apertura del dispositivo di protezione. Nel sistema ingegneristico è la pressione a sollevare l’otturatore; nel batterio è la tensione della membrana a modificare la conformazione della proteina. In entrambi i casi, la soglia di intervento dipende dalle proprietà meccaniche dei componenti, e la protezione avviene automaticamente.
La pinza che scorre sul DNA
Immaginiamo una macchina che debba procedereprocede lungo un cavo, eseguendo un lavoro senza perdere il collegamento con la propria guida. Un semplice contatto tra superfici potrebbe interrompersi, mentre un fissaggio rigido impedirebbe il movimento. Il problema consiste nel mantenere il collegamento lasciando libero lo scorrimento.
Una soluzione ingegneristica è un collare anulare che circonda completamente il cavo. L’anello può muoversi lungo il suo asse, mentre la geometria impedisce che si separi lateralmente dalla guida. Se il dispositivo deve essere applicato in un punto intermedio del cavo, il collare viene costruito in modo da potersi aprire e richiudere.
Durante la replicazione del DNA, le cellule devono risolvere lo stesso problema. La DNA polimerasi costruisce una nuova catena procedendo lungo una molecola che utilizza come stampo, ma il legame fra la polimerasi e il DNA potrebbe interrompersi ripetutamente, rendendo molto meno efficiente la duplicazione dei cromosomi.
La soluzione evolutiva è una proteina a forma di anello, chiamata pinza scorrevole, che circonda la doppia elica e mantiene associata la DNA polimerasi. Nei batteri come Escherichia coli l’anello è costituito da due subunità proteiche, mentre negli eucarioti la struttura equivalente, denominata PCNA, ne comprende tre.
Per montare la pinza intorno al DNA interviene un’altra macchina molecolare, il caricatore della pinza, che utilizza ATP per favorire l’apertura dell’anello e il suo corretto posizionamento. Una volta chiuso, l’anello scorre lungo la doppia elica e consente alla polimerasi di procedere senza dissociarsi continuamente.
Il vincolo fondamentale è topologico: un anello chiuso che circonda un filamento continuo può muoversi lungo di esso senza separarsene lateralmente. Gli ingegneri hanno sfruttato questa proprietà costruendo collari e dispositivi di guida, mentre l’evoluzione ha prodotto un complesso proteico che applica lo stesso principio alla duplicazione del DNA.
La cerniera lampo delle membrane cellulari
Quando due superfici devono essere avvicinate e mantenute unite, la forza necessaria può diventare considerevole se il contatto deve stabilirsi simultaneamente lungo tutta la loro estensione. Un accoppiamento progressivo permette di distribuire il lavoro, utilizzando i collegamenti già formati per favorire quelli successivi.
La cerniera lampo applica questo principio mediante due file di denti che vengono avvicinate da un cursore. L’incastro procede lungo una direzione definita e permette di ottenere una chiusura continua attraverso una successione di piccoli accoppiamenti.
All’interno delle cellule, la fusione di due membrane incontra una difficoltà fisica particolarmente importante. Le membrane sono costituite da doppi strati di lipidi le cui superfici polari interagiscono con l’acqua circostante. Avvicinarle fino alla distanza necessaria per la fusione richiede il superamento di una barriera energetica, legata anche alla riorganizzazione delle molecole d’acqua e dei lipidi.
Le cellule possiedono proteine specializzate, chiamate SNARE, che favoriscono questo processo. Alcune sono ancorate alla membrana di una vescicola, altre alla membrana con la quale deve fondersi. Quando entrano in contatto, formano un fascio di quattro eliche proteiche che si associano progressivamente, a partire dalle regioni più lontane dalle membrane. L’assemblaggio libera energia e avvicina le superfici lipidiche fino a favorirne la fusione.
Gli esperimenti hanno permesso di osservare diversi stati intermedi di questa chiusura molecolare, misurando anche le forze coinvolte. La somiglianza con una cerniera lampo riguarda il principio del serraggio progressivo, sebbene le proteine SNARE utilizzino l’energia liberata dal proprio assemblaggio per avvicinare le membrane, mentre nella cerniera ordinaria la forza viene applicata al cursore.
L’evoluzione ha così prodotto un sistema nel quale il collegamento progressivo di componenti molecolari viene utilizzato per compiere un lavoro meccanico, secondo un principio familiare anche agli ingegneri.
Le porte molecolari che sciolgono gli intrecci del DNA
Due anelli chiusi concatenati non possono essere separati mediante semplici deformazioni. Per liberarli occorre interrompere temporaneamente almeno uno degli anelli, far passare l’altro attraverso l’apertura e ripristinare infine la continuità. È un vincolo topologico, che rimane valido indipendentemente dal materiale con cui degli anelli sono costruiti.
Una macchina incaricata di eseguire ripetutamente questa operazione deve coordinare il movimento dei propri componenti. L’apertura di un passaggio deve avvenire soltanto quando gli altri elementi si trovano nella posizione corretta, e la chiusura deve precedere le operazioni che potrebbero compromettere l’integrità del sistema. Gli ingegneri utilizzano a questo scopo dispositivi a interblocco, nei quali il movimento di una parte condiziona meccanicamente quello delle altre.
Le cellule incontrano problemi topologici analoghi quando duplicano i cromosomi. Le molecole di DNA possono rimanere concatenate, ostacolando la separazione delle copie che devono essere distribuite alle cellule figlie.
Una macchina proteica chiamata topoisomerasi II risolve questi intrecci attraverso una successione controllata di operazioni. L’enzima cattura due segmenti di DNA, interrompe temporaneamente entrambi i filamenti di uno di essi e fa passare il secondo segmento attraverso l’apertura, prima di richiudere il DNA tagliato.
La proteina mantiene saldamente legate le estremità del segmento interrotto, mentre un sistema di porte molecolari coordina il passaggio del DNA. Il legame e l’idrolisi dell’ATP regolano i cambiamenti di conformazione necessari al funzionamento della macchina.
La somiglianza con i dispositivi industriali a interblocco riguarda il controllo delle operazioni successive. Il vincolo topologico impone il passaggio attraverso un’apertura temporanea, mentre la necessità di conservare l’integrità del DNA richiede un sistema che impedisca movimenti incompatibili con la corretta esecuzione del processo.
Il cricchetto molecolare che trasforma il caso in movimento
AllaSu scala molecolare, ottenere un movimento direzionale presenta difficoltà che diventano trascurabili nelle macchine di dimensioni ordinarie. Una molecola immersa in un liquido viene continuamente urtata dalle molecole circostanti, e i suoi componenti subiscono incessanti fluttuazioni termiche. L’inerzia ha un ruolo molto ridotto e il movimento viene rapidamente frenato dalla viscosità.
Per produrre uno spostamento persistente occorre modificare le probabilità dei movimenti possibili, favorendo quelli che procedono nella direzione desiderata. Una struttura asimmetrica può contribuire a questo risultato, purché il sistema disponga di una fonte di energia capace di mantenerlo lontano dall’equilibrio termodinamico.
Il principio ricorda quello dei dispositivi a cricchetto, nei quali un dente di arresto impedisce la rotazione in una direzione e consente quella opposta. AllaSu scala molecolare, tuttavia, anche il dente di arresto sarebbe sottoposto all’agitazione termica: un cricchetto immerso in un ambiente a temperatura uniforme, senza apporto di energia, non potrebbe produrre indefinitamente lavoro sfruttando il solo movimento casuale.
La fisica statistica ha chiarito come sia possibile ottenere un moto direzionale attraverso cambiamenti energeticamente alimentati che modificano le probabilità delle transizioni tra stati differenti. Questo principio è alla base di numerosi modelli di cricchetto browniano, utilizzati anche per progettare motori molecolari artificiali.
La chinesina, una proteina che trasporta materiali all’interno delle cellule, applica princìipi fisici analoghi. La sua forma più studiata possiede due teste che si legano alternativamente a un microtubulo, un filamento proteico che attraversa il citoplasma e funziona come una guida.
Quando una testa è ancorata al microtubulo, l’altra può muoversi per effetto dell’agitazione termica. Il legame dell’ATP alla testa motrice e i cambiamenti strutturali che ne derivano modificano le probabilità di movimento e favoriscono l’aggancio della testa libera in una posizione più avanzata. Attraverso cicli successivi, la chinesina procede con passi di circa otto nanometri, trasportando il proprio carico.
Il movimento ordinato dipende quindi da un sistema che utilizza energia chimica per orientare processi molecolari continuamente soggetti a fluttuazioni casuali. La stessa difficoltà fisica viene affrontata nella progettazione dei motori molecolari sintetici, nei quali asimmetrie strutturali e reazioni alimentate dall’esterno vengono combinate per ottenere spostamenti direzionali.
I vincoli selezionano le soluzioni
La somiglianza fra le macchine molecolari e quelle progettate dall’uomo diventa comprensibile quando si considera la natura dei problemi che devono risolvere. La pressione o la tensione che minaccia un involucro può essere impiegata per attivare una valvola; un anello mantiene il contatto con una guida senza impedirne lo scorrimento; una catena di accoppiamenti successivi permette di liberare energia e avvicinare due superfici. Le proprietà fisiche del sistema delimitano le soluzioni capaci di funzionareadatte.
In ingegneria, le varianti nascono dalla capacità di immaginare e modificare un progetto, e vengono sottoposte a prove che ne misurano le prestazioni rispetto a uno scopo. Negli organismi, la variazione ereditaria nasce da processi genetici privi di uno scopo anticipato, mentre la selezione dipende dagli effetti delle varianti sulla sopravvivenza e sulla riproduzione. Quando il problema funzionale è analogo, le differenze fra questi processi possono accompagnarsi alla comparsa di princìipi operativi sorprendentemente simili.
La selezione agisce su ciò che è disponibile. La storia precedente di una specie determina quali modificazioni sianoono accessibili e quali strutture possoano essere riutilizzate; anche gli ingegneri partono da materiali, tecnologie e progetti già esistenti. Per questoa ragione la convergenza non implica l’esistenza di una soluzione unica né garantisce che venga raggiunta: rende più probabile che, fra molte alternative, siano favorite quelle che soddisfano meglio i medesimi vincoli.
Questa relazione fra le caratteristiche delle varianti e il loro successo richiama la formulazione matematica della selezione proposta nel 1970 da George R. Price. La sua equazione descrive la variazione media di una caratteristica attraverso la sua associazione statistica con il successo delle unità considerate e gli effetti della trasmissione, senza specificare come siano state prodotte le varianti. Le strutture che potranno comparire dipendono dalla disponibilità storica delle varianti e dai vincoli fisici che ne condizionano il funzionamento.
Il confronto fra macchine umane e macchine molecolari permette quindi di riconoscere il ruolo distinto dei due passaggi: la produzione delle alternative e la selezione di quelle efficaci. L’intenzione dell’ingegnere determina come si esplorano i progetti; nell’evoluzione, le mutazioni alimentano una diversità che viene continuamente sottoposta alle conseguenze del funzionamento degli organismi. La fisica, comune a entrambi i processi, impone limiti e opportunità che possono rendere somiglianti i risultati.
L’argomento creazionista attribuisce la complessità delle macchine biologiche, e la loro somiglianza con quelle costruite da noi, alla necessità di un progettista. Proprio le convergenze indipendenti mostrano perché questa deduzione non regge: un problema circoscritto dache deve fare i conti con vincoli severi può favorire ripetutamente lo stesso principio funzionale, anche quando le varianti vengono generate senza alcuna previsione del risultato. Ciò che ci appare come un progetto può essere anche l’esito di una lunga selezione fra possibilità sottoposte alle medesime leggi naturali.
