La complessità fondamentale della vita: le proteine

 
di Michele Forastiere*
*professore di matematica e fisica

Le proteine sono le molecole tuttofare della vita, veri e propri nanostrumenti capaci di svolgere le funzioni più svariate. La maggior parte delle attività delle cellule di ogni organismo vivente viene eseguita da proteine che interagiscono tra loro e con altre molecole organiche. Di solito si tratta di interazioni complesse, che prevedono una successione di passi esattamente scandita e regolata, sia nel tempo sia nello spazio. Si pensi, ad esempio, all’interazione fondamentale: la sintesi proteica. Si tratta di un meccanismo complicato che prevede, a grandi linee, prima la trascrizione del gene codificante una data proteina in RNA messaggero (mRNA) all’interno del nucleo, poi la traduzione del codice mediante il montaggio sequenziale – all’interno dei ribosomi – delle molecole di amminoacidi trasportate dall’RNA transfer (tRNA), infine il ripiegamento della lunga catena molecolare nella forma finale della proteina (la cosiddetta conformazione nativa).

Tutte le operazioni che coinvolgono molecole organiche dipendono, ovviamente, dalle specifiche interazioni chimiche che avvengono tra di loro. Dal punto di vista della fisica queste ultime sono semplicemente la manifestazione di interazioni elettromagnetiche tra le nuvole elettroniche degli atomi coinvolti. In pratica, le molecole organiche si combinano tra di loro, si “smontano” e si “rimontano” in configurazioni diverse grazie al fatto che la loro superficie costituisce un “paesaggio” composito di zone, diverse per forma e dimensione, con densità di carica elettrica differente. In tal modo una proteina può agganciarne un’altra in una specifica direzione e (per esempio) formare un aggregato di forma allungata, come nelle fibre di cheratina; oppure può trattenere una molecola di ossigeno, per poi rilasciarla al momento opportuno; e via dicendo.

Ora, pur sapendo che la conformazione nativa della proteina è determinata univocamente dalla sequenza degli amminoacidi costituenti, esiste il cosiddetto problema del ripiegamento: in che modo, cioè,  una proteina raggiunge la sua forma funzionale? Il fatto è che se il ripiegamento dovesse avvenire mediante un processo di “ricerca casuale”, questo richiederebbe un tempo assolutamente irrealistico, molto maggiore di quello trascorso dalla nascita dell’Universo. Il numero delle possibili geometrie – tutte non funzionali – che una data catena di amminoacidi può assumere è infatti astronomicamente alto. D’altra parte, un batterio come l’Escherichia Coli si riproduce ogni 20 minuti, duplicando l’intero insieme delle sue proteine entro quell’intervallo di tempo. Tale contraddizione venne riconosciuta per la prima volta da Cyrus Levinthal nel 1969: si tratta di quello che è ormai universalmente noto come “paradosso di Levinthal”.

Secondo Levinthal, il paradosso si risolve supponendo che il ripiegamento avvenga seguendo percorsi preferenziali. Il funzionamento di una cellula dipende però dall’insieme delle interazioni tra le proteine e tutte le altre molecole, organiche e inorganiche, presenti al suo interno. In particolare, l’attività cellulare è determinata dalla rete completa del suo interattoma, vale a dire dall’insieme di tutte le interazioni fisiche proteina-proteina che possono aver luogo nella cellula. Non è difficile comprendere che il problema dell’assemblaggio dell’interattoma sia analogo a quello del ripiegamento delle proteine, nel senso che in entrambi i casi lo stato funzionale viene selezionato entro un numero enormemente elevato di alternative non funzionali.

I biologi Peter Tompa della Vrije Universiteit di Brussels e George Rose della Johns Hopkins University hanno affrontato la questione della sintesi dell’interattoma in un articolo apparso su Protein Science nel 2011, “The Levinthal paradox of the interactome”. Tompa e Rose forniscono una stima approssimata del numero di possibili schemi di interazione in un interattoma-modello, quello esistente in una particolare fase di crescita del lievito Saccharomyces cerevisiae. Ebbene, il numero a cui si giunge è assolutamente strabiliante: 10 alla 79 000 000 000 distinte configurazioni. Tale straordinaria complessità esclude la possibilità che un interattoma funzionale si formi per tentativi ed errori in un qualsiasi accettabile arco di tempo. Secondo gli autori, dunque, è evidente che la formazione di un interattoma funzionale necessiterebbe di una rete preesistente di proteine interagenti – vale a dire, dell’interattoma stesso. Inoltre, tutte le nanomacchine coinvolte richiedono un flusso continuo di energia per funzionare: non è quindi pensabile che il risultato finale del loro lavoro (un interattoma funzionale) possa mantenersi in equilibrio senza alcun dispendio energetico.

La conclusione che se ne trae è che, senza una rete preesistente di interazioni, una cellula finirebbe per impantanarsi in uno stato caotico non funzionale, incompatibile con la vita. Insomma, secondo Tompa e Rose esiste, tra un interattoma vitale e i suoi componenti isolati – tra vita e non vita – una barriera che risulta essere insormontabile, in modo spontaneo, al di fuori dell’ambiente cellulare. In altre parole, tra caos e ordine esiste una discontinuità essenziale, almeno nelle condizioni attualmente esistenti sulla Terra; è evidente, del resto, che la vita deve averla attraversata almeno una volta – all’inizio.

Può questo essere avvenuto per puro caso? È certamente possibile, sebbene molto improbabile. Una stima di tale probabilità – che risulta effettivamente bassissima – è stata effettuata da Eugene Koonin: ne abbiamo parlato estesamente a suo tempo qui (UCCR – L’enigma dell’abiogenesi II° parte).

D’altro canto, non possiamo che rimanere stupiti, direi quasi abbacinati, quando ci soffermiamo a osservare le forme e le intricate interazioni delle proteine nell’ambiente cellulare. Esaminiamo per esempio la conformazione di questa macromolecola, adibita al compito di “correggere” i difetti strutturali di certe proteine. Certamente la perfezione di tale forma rimanda a qualcosa di più che alle semplicistiche alchimie in cui i biologi molecolari della precedente generazione si contentavano di ravvisare il funzionamento della cellula. In effetti, vi è chi suggerisce che alla base dei meccanismi biochimici della vita non vi possa essere la contingenza caotica di innumerevoli miscugli chimici che – quasi filtri magici sempre più raffinati – vengono via via selezionati in base al loro effetto macroscopico, ma bensì una logica molto più profonda, che estende le sue radici nelle leggi fisiche, nel Logos dell’Universo.

Quel che è certo è che ancora non sappiamo come stiano realmente le cose. Pensiamo, tuttavia, che valga davvero la pena di continuare a riflettere su come funzioni esattamente la chimica complessa della vita: una questione che, nella sua basilarità, promette di essere la più importante per la biologia del XXI secolo.

 (Una versione più tecnica e approfondita di questo articolo sarà pubblicata prossimamente nella sezione “Tavola Alta” del sito web “Critica Scientifica“)