Quando l'acqua smette di fare la comparsa (e Valeria continua ad avere 29 anni)

La settimana scorsa ero a Bristol per la conferenza annuale della CCPBioSim. Se non ne avete mai sentito parlare, non vi preoccupate: fino a tre anni fa non ne avevo mai sentito parlare nemmeno io. La CCPBioSim è una comunità di ricercatori che si occupano di biofisica computazionale e simulazioni molecolari. Il nome è decisamente più britannico che accattivante (Collaborative Computational Project for Biomolecular Simulation), ma dietro quell'acronimo un po' austero si nasconde una delle comunità scientifiche più vivaci e accoglienti che abbia conosciuto negli ultimi anni. Ci sono finito grazie a Sarah Harris (qui in foto), collega, amica e ottima biofisica computazionale, che un giorno mi disse più o meno: "Iscriviti alla mailing list della CCPBioSim. Fidati." Mi sono fidato. Tre anni dopo mi ritrovo a partecipare regolarmente ai workshop, a seguire seminari online, a discutere di membrane, proteine, intelligenza artificiale, dinamica molecolare e, naturalmente, a passare qualche serata davanti a una pinta di birra (o forse due?) con persone che considerano perfettamente normale discutere di campi di forza mentre provano le prelibatezze della cucina inglese. La conferenza di Bristol è stata esattamente così. Una di quelle conferenze da cui torni con molte più idee di quante ne avessi quando sei partito.

La conferenza è stata bellissima. Si respirava quella sensazione rara che ogni tanto si prova nella ricerca: la percezione che un intero campo stia lentamente cambiando modo di pensare. Tra un talk e un poster incontro Valeria Losasso. O almeno... incontro la Valeria che nella mia testa ha ancora ventinove anni. L'ultima volta che ci eravamo visti lei era una dottoranda, io ero un ricercatore con qualche capello in più e molte meno responsabilità amministrative. Oggi lei è una ricercatrice affermata, io faccio ancora simulazioni quando riesco ma passo una quantità decisamente maggiore di tempo a firmare documenti. La matematica sostiene che Valeria oggi abbia quarantaquattro anni. Mah, sarà: il mio cervello continua ostinatamente a sostenerne ventinove. È evidente che alcune simulazioni mentali convergano molto lentamente.

Il poster che presentava parlava di una cosa apparentemente semplicissima: acqua e membrane biologiche. O, più precisamente, di quello che succede all'acqua quando una membrana viene sottoposta a uno stress meccanico. Ora, siamo a luglio: fa caldo. Molto caldo. Troppo caldo per me, che sopra i 300 Kelvin sto male. L'acqua è probabilmente il tema più appropriato del momento. 

Noi tendiamo a pensare all'acqua come allo sfondo della biologia: il solvente universale, quella roba trasparente dentro cui succedono le cose interessanti. Negli ultimi anni, però, la biofisica computazionale sembra divertirsi a smontare proprio questa idea. Qualche post fa avevo scritto che le membrane hanno smesso di fare le comparse. Per anni le abbiamo considerate semplici involucri: contenitori dentro cui le proteine facevano il lavoro importante. Poi abbiamo scoperto che le membrane partecipano attivamente alla storia. Questo lavoro fa un passo ancora più in là. Ci dice che forse anche l'acqua ha deciso di chiedere una parte da protagonista. L'idea alla base dell'articolo è sorprendentemente semplice. Gli autori costruiscono quattro membrane modello: due che rappresentano, in modo semplificato, membrane tipiche delle cellule dei mammiferi e due che rappresentano membrane batteriche. Non cercano di riprodurre una membrana biologica reale in tutta la sua complessità (sarebbe praticamente impossibile, almeno per ora) ma costruiscono sistemi sufficientemente semplici da permettere di isolare i fenomeni fondamentali. A questo punto prendono queste membrane e fanno quello che nessuna membrana vorrebbe sentirsi fare: iniziano a tirarle.

Nel gergo della biofisica si parla di lateral stress, cioè una tensione applicata lungo il piano della membrana. È un po' come tirare un foglio di gomma dai bordi e osservare come reagisce. Le simulazioni esplorano tre condizioni: nessuna tensione, una tensione moderata e una decisamente più elevata, ma comunque inferiore a quella che porterebbe la membrana a rompersi. Fin qui potrebbe sembrare uno studio piuttosto classico di meccanica delle membrane. In realtà il vero protagonista non è la membrana. È l'acqua. Più precisamente, quell'acqua che si trova immediatamente a contatto con la superficie della membrana. Quella che i biofisici chiamano interfacial water.

Normalmente immaginiamo che le molecole d'acqua siano tutte uguali. In realtà non è così. L'acqua che si trova vicino a una proteina o a una membrana vive una vita completamente diversa dall'acqua "normale". Forma legami a idrogeno differenti, si muove più lentamente e costruisce piccole reti di molecole che ricordano minuscole architetture geometriche. Gli autori hanno studiato proprio queste reti con un'idea piuttosto elegante. Invece di limitarsi a osservare dove si trovano le molecole d'acqua, hanno analizzato la topologia della rete di legami a idrogeno che le collega. In pratica si sono chiesti: che forme assumono questi piccoli reticoli? Triangoli? Pentagoni? Esagoni? La risposta sorprendente è che, vicino alle membrane dei mammiferi, compaiono frequentemente piccoli anelli di quattro molecole d'acqua che fanno da ponte tra teste polari di lipidi vicini. E, cosa ancora più interessante, questi piccoli quadrati continuano a esistere anche quando la membrana viene sottoposta a tensione. Nelle membrane batteriche succede invece qualcosa di diverso. Quando aumenta la tensione, la superficie della membrana si "liscia", perde parte della propria rugosità e l'acqua smette progressivamente di restare agganciata alla superficie. È come se acqua e membrana decidessero di prendere strade diverse. Ed è qui che il lavoro diventa davvero interessante, perché improvvisamente l'acqua non è più soltanto il solvente: partecipa alla risposta meccanica della membrana, contribuisce alla sua stabilità. In altre parole, membrana e acqua formano un sistema unico. È un po' come guardare una coppia che balla. Se osservate soltanto uno dei due ballerini, capirete ben poco della danza. Da fisico questa cosa mi entusiasma. Mi piace quando la natura ci costringe ad abbandonare gerarchie troppo semplici. Prima pensavamo che le proteine fossero protagoniste e le membrane semplici quinte teatrali. Poi abbiamo scoperto che anche le membrane partecipano attivamente alla storia. Adesso scopriamo che perfino l'acqua, quella che per decenni abbiamo trattato come semplice solvente, entra nella coreografia.

Naturalmente tutto questo emerge grazie alla dinamica molecolare. Le simulazioni utilizzate in questo lavoro comprendono sistemi da circa 230.000 atomi, simulati in diverse condizioni meccaniche per un totale di circa due microsecondi complessivi. Non sono numeri scelti a caso: sono il compromesso necessario tra realismo fisico e tempo computazionale. Ogni simulazione è abbastanza lunga da permettere all'acqua di riorganizzare la propria rete di legami e abbastanza dettagliata da seguire il comportamento di ogni singola molecola. Ed è forse questa la cosa che continuo a trovare più bella della biofisica computazionale. Non usiamo i computer per sostituire gli esperimenti. Li usiamo per imparare a fare domande migliori. In questo caso la domanda era apparentemente innocente: come reagisce l'acqua quando tiriamo una membrana? La risposta è molto più interessante di quanto ci si potesse aspettare. Perché ci ricorda una cosa che la biologia sembra volerci ripetere continuamente. Il contesto non è mai una comparsa. E, a quanto pare, neppure l'acqua.