Παντα ρει

Ovvero: "Tutto scorre". La foto qui a lato è stata scattata l'anno scorso al Palio dell'Oca, una delle tradizionali manifestazioni legate alle feste vigiliane in programma a giugno qui a Trento per la ricorrenza del santo patrono, San Vigilio, che (fortunata coincidenza o caso del destino) fa sì che io non sia mai al lavoro il giorno del mio compleanno. Il Palio, che a differenza del più famoso analogo toscano e a dispetto del nome, non coinvolge animali se non quelli appartenenti al genere Homo sapiens, consiste in una sfida tra equipaggi appartenenti ai diversi quartieri di Trento con qualche ospite (in foto c'è Berlino-Charlottenburg, il mio quartiere quando abitavo a Berlino, altra fortuita coincidenza). Gli equipaggi, a bordo di zattere, devono superare diverse prove di abilità mentre discendono lungo il corso dell'Adige: tra queste, il lancio di un anello al collo di un'oca gigante di cartapesta e un oggetto a forma di oca che deve centrare un canestro.
Il "tutto scorre" (attribuito al filosofo greco Eraclito) si riferisce all'idea filosofica del Divenire contrapposto all'Essere: tuttavia l'argomento di questo post pre-vigiliano (scusate il gioco di parole) è la simulazione del flusso di molecole di acqua, così come riportato in un recente articolo sul Biophysical Journal.

Andiamo con ordine: comunemente, le nostre simulazioni sono tutte rigorosamente all'equilibrio. O meglio, dovrebbero esserlo e dopo un tempo ragionevole, basandoci su alcuni parametri indicatori, supponiamo che lo siano. In genere il solvente (ovvero l'acqua) raggiunge l'equilibrio abbastanza in fretta, con tempi inferiori al nanosecondo, ovvero un milionesimo di secondo, con buona pace dei fautori della memoria dell'acqua, dell'omeopatia e altre fantasiose leggende metropolitane. Diverso è il caso delle proteine e delle macromolecole biologiche, in genere: in alcuni casi, potrebbe essere necessario un tempo di simulazione che attualmente non è disponibile neanche sui migliori supercalcolatori. E' il caso del ripiegamento di una proteina di dimensioni medie, neanche troppo grandi. Tuttavia l'equilibrio in biologia si raggiunge solo con la morte: finché siamo vivi, siamo sistemi fuori dall'equilibrio, al più possiamo essere in uno stato stazionario, cioè che non cambia sensibilmente nel tempo, obiettivo sempre più difficile da raggiungere una volta superati i 40 anni...

Come simulare situazioni di non-equilibrio? Esiste un intero campo, che ricade sotto l'acronimo NEMD (Non Equilibrium Molecular Dynamics). La NEMD permette di studiare diverse proprietà fuori dall'equilibrio, anche se abbastanza vicine all'equilibrio. Cosa significa essere vicini o lontani dall'equilibrio? Dobbiamo anzitutto ricordare che ci sono diversi modi per andare fuori equilibrio: pensiamo, ad esempio, a una pentola piena di acqua, tutta a temperatura ambiente. Se la pentola è poggiata sul fornello spento, raggiunge l'equilibrio abbastanza in fretta. Supponiamo ora di accendere il fuoco (o la piastra a induzione, se preferite): la temperatura della parte inferiore della pentola comincia a salire. L'acqua non è più in equilibrio termico: quella sul fondo ha una temperatura maggiore di quella in superficie. Se abbiamo acceso il fuoco per poco tempo e si è creata una differenza di temperatura di un paio di gradi, siamo abbastanza vicini all'equilibrio, che infatti sarà ristabilito non appena il fornello sarà spento. Se invece il fornello resta acceso per più tempo, ci allontaniamo dall'equilibrio: la temperatura può aumentare anche fino all'ebollizione. Se a quel punto spegniamo il fornello, ci vorrà un bel po' prima di tornare a una situazione di equilibrio.
Ci sono però diverse situazioni in cui un sistema è in uno stato stazionario a causa di un flusso continuo: basti pensare al sangue che scorre con velocità più o meno costante nelle nostre arterie e vene o alla linfa negli organismi vegetali, ma anche al flusso costante di aria nei nostri polmoni. Come simulare queste diverse situazioni a livello molecolare?

Gli autori dimostrano che non è poi così complicato e si può già realizzare con i programmi software di cui disponiamo: basta inserire delle forze aggiuntive in una determinata regione e, complici le condizioni periodiche al contorno, sarà possibile mantenere un flusso stabile di molecole di acqua all'interno, come nella figura qui sopra, dove in azzurro sono riportate le molecole di acqua sottoposte alla forza aggiuntiva. Naturalmente è necessario che queste forze non siano troppo alte, altrimenti si rischia di creare delle zone vuote che, su queste scale così piccole, non sarebbero realistiche. E' anche necessario evitare che, nelle zone di confine, ci siano dei cambiamenti improvvisi: una molecola che si avvicina alla zona azzurra riceve una forza, ma molto leggera, per evitare che forze troppo grandi facciano percorrere distanze non realistiche e rendano instabile l'intera simulazione. Tutto sommato, si tratta di un algoritmo piuttosto semplice ed è quasi sorprendente che funzioni così bene. Evidentemente si sono posti la stessa domanda anche i ricercatori che hanno voluto realizzare dei test prima su un sistema costituito da molecole di acqua, e poi su una proteina sottoposta allo scorrere dell'acqua, scoprendo che la proteina tende ad allungarsi, un po' come succede ad un lungo capello o a un filo sotto un gettito d'acqua.

Semplici test, che però nascondono il desiderio di studiare alcuni fenomeni bizzarri e importanti in biologia: uno di questi è il fattore di von Willebrand (vWF), una proteina che funziona come un collante e permette di bloccare il sanguinamento di una ferita. Di solito la vWF si trova in stato globulare, ma cambia conformazione e si distende in presenza di un flusso acquisendo una funzione adesiva, che permette la formazione della pellicola che blocca il flusso di sangue. Quando non funziona, si ha appunto la malattia di von Willebrand, con un sanguinamento prolungato.

 Ancora più curiosa è la formazione delle fibre a partire dalle proteine della seta prodotte dai ragni. La seta, con la sua incredibile struttura e versatilità, resta uno dei materiali più interessanti e misteriosi della natura. Anche in questo caso, la formazione della fibra è il risultato di un delicato e preciso meccanismo che include anche la presenza di un flusso costante di molecole (acqua e ioni soprattutto) contenute nella saliva del ragno con diverse concentrazioni. Il processo della formazione di una fibra di seta è molto simile al funzionamento di una stampante 3D che costruisce il risultato finale depositando uno strato dopo l'altro e controllando gli strati con diverse condizioni ambientali, come in una microscopica precisissima lasagna. Nei nostri tempi in cui è tanto popolare la via della seta, forse non sarebbe male scoprire i misteri di questo materiale: scopriremmo così che davvero "tutto scorre" e i ragni hanno inventato le stampanti 3D molti milioni di anni fa...