Fisica e biologia si alleano: e nasce la biologia quantistica
di Achille De Tommaso
C’è stato un tempo, non molto tempo fa, in cui i biologi giuravano nero su bianco che la meccanica quantistica non poteva avere alcun ruolo nei sistemi della vita. Io stesso, in un mio articolo, paventavo che l’era della Fisica stesse per cedere il passo a quella della Biologia.
Oggi ci affidiamo all’analisi del DNA per scoprire la vera origine di una traccia biologica, e i risultati sono sempre precisi: Il DNA non commette errori. In realtà il DNA può commetterne e può portare a mutazioni. E questa possibile verità ci viene spiegata dalla Meccanica Quantistica; una alleanza tra Biologia e Fisica.
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I due filamenti della famosa doppia elica del DNA sono collegati insieme da legami a idrogeno tra le basi, che forniscono la colla che le tiene insieme. Questi legami sono come i pioli di una scala elicoidale che costituisce la struttura a doppia elica scoperta nel 1952 da James Watson e Francis Crick.
Normalmente, queste basi del DNA (chiamate A, C, T e G) seguono regole rigide su come si legano insieme: A si lega sempre a T e C sempre a G. Questo stretto accoppiamento è determinato dalla forma delle molecole, che si adattano insieme come pezzi di un puzzle. Ma, se la natura dei legami idrogeno cambia leggermente, ciò può causare la rottura della regola di accoppiamento, portando al collegamento delle basi sbagliate e quindi ad un errore di duplicazione. Questi errori sono conosciuti da tempo, e fanno parte, oggi della teoria evolutiva, ma il loro studio è significativo quando si presenti una mutazione.
Sebbene questo fatto fosse previsto da Crick e Watson, utilizzando sofisticati modelli computerizzati, un team di fisici e chimici dell'Università del Surrey ha dimostrato che tali errori nella copiatura possono verificarsi a causa delle strane regole del mondo quantistico. Il team, con sede presso il Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center; fa parte del programma di ricerca del Surrey nel nuovo entusiasmante campo della biologia quantistica. Ha dimostrato che questa modificazione nei legami tra i filamenti del DNA è molto più diffusa di quanto si pensasse finora. Il team ha utilizzato un approccio chiamato sistemi quantistici aperti per determinare i meccanismi fisici che potrebbero far sì che i protoni saltino tra i filamenti di DNA. Ma, cosa più intrigante, ha trovato che è grazie a un meccanismo quantistico ben noto, ma quasi magico, chiamato tunneling, che è simile ad un fantasma che passi attraverso un muro solido, che riescano ad attraversarlo.
Fin qui la notizia scientifica, ma entriamo nel dettaglio:
Il fenomeno del tunneling in fisica quantistica è un concetto affascinante che si basa sulla possibilità per una particella di attraversare una barriera di potenziale anche se non ha energia sufficiente per superarla secondo le leggi classiche della fisica. Ma, intendiamoci, il tunneling non è un processo esotico, importante solo per effetti fisici speciali; ha già parecchie applicazioni, come il diodo tunnel, la microscopia a tunneling a scansione (tunneling elettronico) o la microscopia ottica che opera in modalità tunneling di fotoni. Ma oggi si scopre che possa fare molto di più: i processi fisici e chimici che sono cruciali nelle teorie sull’origine e l’evoluzione della vita possono essere ricondotti direttamente agli effetti del tunneling quantistico.
Questo avviene perché, secondo la teoria quantistica, la particella non ha una posizione o un'energia ben definita, ma esiste come un'onda di probabilità che si estende nello spazio. Di conseguenza, anche se la maggior parte della probabilità vede la particella sul lato iniziale della barriera, c'è una piccola ma non trascurabile possibilità che essa si trovi dall'altra parte della stessa.
Nel contesto delle mutazioni del DNA, l'applicazione del concetto di tunneling viene considerato in modalità analoga: il DNA è costituito da una lunga sequenza di basi azotate, e le mutazioni si verificano quando questa sequenza viene alterata. Queste mutazioni possono essere causate da vari fattori, come l'esposizione a radiazioni o a sostanze chimiche dannose.
Ora, se consideriamo il DNA come una sorta di "barriera", possiamo immaginare che le particelle (ad esempio, agenti mutageni come raggi UV o composti chimici) possano "tunnelizzare" in maniera quantistica attraverso questa barriera, causando danni al DNA e potenzialmente portando a mutazioni. Anche se le leggi della fisica classica suggerirebbero che la barriera del DNA dovrebbe proteggere la sua integrità, la meccanica quantistica ci insegna che esiste sempre una possibilità di tunneling, anche se molto piccola.
Questa scoperta è importante, perché ci aiuterà a comprendere meglio i meccanismi alla base delle mutazioni genetiche e, con esse, delle malattie genetiche, aprendo la strada a potenziali approcci terapeutici per prevenirle o trattarle.
E aprendo la strada ad altre scoperte della biologia quantistica e, ad altri fatti della vita fisiologica, finora ritenuti inspiegabili.
RIFERIMENTI
https://www.nature.com/articles/s42005-022-00881-8
https://www.eurekalert.org/news-releases/951771
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