La fisica studia la vita. O la pretende?

Sarà che questo è un po' un periodo di riflessione per tutti, sarà forse che nelle mie lunghe camminate rilassanti la testa va giustamente per conto suo, sarà anche che per ragioni professionali mi sono imbattuto in diverse discussioni su cosa sia davvero la vita, questo mese ho deciso di dedicarmi a questa domanda che sembra filosofica ma in realtà è più scientifica di quanto si possa immaginare. In questi ultimi mesi infatti ho letto e riletto il libro di Erwin Schrödinger, anche nella sua versione originale in inglese: "What is life?". Ne avevo sicuramente parlato in qualche puntata precedente del blog: è un libro per me fondamentale ma che ritengo utile per chiunque voglia approcciarsi non soltanto alla biofisica, ma anche alla fisica in generale. Scritto con una forma inglese superba, che Schrödinger descrisse come un vestito preparatogli su misura dai suoi colleghi irlandesi, questo libro del 1943 ha influenzato lo sviluppo della biofisica del secolo scorso e ancora oggi ha da dirci qualcosa, se non nelle sue conclusioni scientifiche superate dai tempi e dalle scoperte successive, sicuramente sul piano filosofico. 

Under Pressure

Sarà che, grazie al gruppo di ascolto social di mio fratello Dario, ho seguito le cinque serate del Festival di Sanremo, sarà che comunque sono cresciuto in una famiglia in cui mio fratello Dario suonava, mia sorella Stefania cantava e mia sorella Sara ballava, mentre io studiavo... quando ho letto il titolo dell'articolo di cui vi racconterò in questo post, mi è subito partito in testa il famoso brano cantato dai Queen con David Bowie che ho quindi eletto a colonna sonora di questo mio post post-Sanremo.

Del resto, il motivo che mi ha colpito è anche che forse un po' tutti ci sentiamo sotto pressione e non vediamo l'ora di uscire da questa situazione sospesa ormai da un anno. Quindi, perché non provare a giocare un po' mettendo le proteine sotto pressione? E' proprio quello che hanno realizzato nel laboratorio di Kevin H. Gardner, a New York: i risultati sono stati pubblicati in un articolo dell'ultimissimo numero del Biophysical Journal e sembrano aprire nuovi scenari di esplorazione per la fisica delle proteine, inclusa la biofisica computazionale.

Un mandato esplorativo per calcolare l'entropia

Ecco, politicamente sembrerebbe proprio così, visto l'esito dell'ultimo mandato esplorativo conferito dal Presidente della Repubblica al Presidente della Camera dei Deputati. In effetti è stata proprio la situazione politica di questo primo mese del 2021 a generare questa mia riflessione sull'entropia. Cerco però di procedere con ordine, perché l'argomento non è complicato ma richiede alcuni passaggi ed è soprattutto di fondamentale importanza nella fisica applicata alla biologia e, di conseguenza, in biofisica computazionale. Sentiamo spesso parlare dell'energia e a scuola abbiamo tutti studiato l'energia meccanica: la somma dell'energia cinetica e dell'energia potenziale. Nei corsi di fisica generale che insegno, mi piace sottolineare come sia decisamente più semplice utilizzare l'energia per risolvere i problemi di meccanica, rispetto alla risoluzione che passa per i calcoli delle forze con i vettori: le equazioni, in effetti, sono più semplici da risolvere. E però (perché un però c'è sempre!) non è sempre possibile. E inoltre, quando è possibile, dobbiamo tenere in conto che l'energia meccanica non è l'unica energia in gioco, ma c'è anche una forma di energia un po' meno facile da trattare e che si manifesta ogni qual volta osserviamo fenomeni in cui cambia la temperatura o la fase di una sostanza (da solido a liquido, per esempio il ghiaccio che si scioglie). Si tratta del calore, uno dei modi in cui è possibile scambiare energia. Del calore si occupa la termodinamica, che di per sé non sarebbe neanche troppo complicata, almeno nei suoi principi generali. Ciò che è davvero complicato in termodinamica è il suo essere sostanzialmente una teoria basata sulla statistica: tutto ciò che accade non è l'unica cosa possibile, ma semplicemente la più probabile con un grado di probabilità talmente alto da risultare praticamente certo.

Basta un poco di zucchero... o no?

Sicuramente quest'anno un po' meno degli altri anni, ma tutti noi abbiamo familiarità con questa operazione: decorare un pandoro con dello zucchero a velo. Mi sembrava un'immagine appropriata per aprire questo post in cui parlerò di un aspetto che spesso viene tralasciato nelle simulazioni di biofisica computazionale ma che è importantissimo, ovvero la presenza degli zuccheri. L'occasione non è soltanto la grande quantità di zuccheri che questo Natale in casa ci ha costretto ad assumere, anche perché in qualche modo dovevamo pur gratificarci...  ma un recente articolo che riguarda proprio il ruolo degli zuccheri nel meccanismo di infezione del maledetto virus Sars-Cov-2 che ormai ha segnato le nostre vite da quasi un anno a questa parte.
Il titolo del lavoro, pubblicato sulla rivista American Chemical Society Central Science, è "Oltre lo scudo: il ruolo dei glicani nella proteina Spike del virus Sars-Cov-2".

Non sono un virologo e quindi lungi da me cercare di descrivere un meccanismo così complesso come l'infezione da Sars-Cov-2, ma cercherò di ricapitolare un po' come funziona questo virus a RNA per poter spiegare la portata innovativa di questo recente studio. Anzi, per cominciare, partirò proprio dalle parole con cui comincia l'articolo, tradotte e riadattate da me, anche perché sono scritte con un tono piatto e scientifico che, francamente, di fronte a questo maledetto virus, non so per quanto potrei sostenere.

Cambierà tutto. O no?

E' stata un po' la notizia del mese sul fronte scientifico, con toni più o meno sensazionalistici, come sempre. La notizia è che il consorzio DeepMind (che dal 2014 è entrato a far parte di Google) ha ottenuto risultati davvero senza precedenti nella 14esima edizione della competizione CASP, che sta per "Critical Assessment of protein Structure Prediction" ovvero "Valutazione critica della predizione di strutture di proteine". E da qui l'affermazione: cambierà tutto. E' vero? Cambierà davvero tutto? Provo a ragionare, ovviamente offrendo una mia visione  molto parziale delle cose e cercando di spiegare un po' quello che so del problema scientifico e quello che ho capito della metodologia applicata.

Anzitutto: il problema ha praticamente la mia età, dato che al biochimico Christian Boehmer Anfinsen Jr.  (raffigurato nella fotografia qui sopra) fu riconosciuto il premio Nobel per la chimica nel 1972: aveva dimostrato con i suoi lavori che tutto quello che occorre per determinare la struttura di una proteina è la sequenza degli amminoacidi che la compongono. Le proteine, infatti, sono in grado di ritrovare la loro forma, quella che è necessaria per il loro funzionamento, anche senza i complessi macchinari cellulari. A questo punto, per Anfinsen fu abbastanza naturale porre un problema, nella convinzione che potesse essere risolto di lì a poco: data la sequenza di amminoacidi, le leggi della fisica possono determinare la struttura di una qualunque proteina. E' il problema del protein folding: sembrava alla portata, nel 1972. In realtà  ci stiamo finalmente e faticosamente avvicinando a risolverlo oggi, 48 anni dopo. Come mai?

E tu, a chi appartieni?

La domanda è tipica delle mie parti: "a chi appartieni?" sta per "di quale famiglia/gruppo/squadra/banda fai parte?" Con questa domanda questo mese mi avventuro nel cercare di spiegare come funzionano (a grandissime linee, niente di rigoroso, eh?) i cosiddetti algoritmi di clustering. Ora, purtroppo con gli algoritmi abbiamo imparato ad avere una certa familiarità: quelli di cui vorrei parlarvi però non ci diranno se la nostra regione di residenza è gialla, arancione o rossa, bensì come raggruppare gli oggetti simili tra loro. In fondo è qualcosa che facciamo spesso, soprattutto chi soffre di manie ossessivo-compulsive: conosco persone che ripongono i libri negli scaffali raggruppandoli in gruppi omogenei per altezza, colore o casa editrice. Ammetto di farlo anche io ogni tanto. O che dispongono i barattoli in modo ordinato nella dispensa (non è il mio caso: in cucina regna da sempre un bel disordine). Per non parlare delle manie negli armadi: magliette colorate e ordinate secondo la lunghezza d'onda del colore principale (purtroppo conosco molti fisici), camicie tutte uguali riposte in una posizione calcolata sull'ultimo lavaggio e così via... 

Il punto è che raggruppare gli oggetti non è soltanto una mania, ma a volte è strettamente necessario, soprattutto quando gli oggetti (i dati) sono davvero tanti (avete presente i big data, no?): una visione di insieme è possibile soltanto dopo aver organizzato i dati in gruppi. E naturalmente una procedura automatica per poterlo fare sarebbe l'ideale.

Il mondo è fatto a scale: chi le scende e chi le sale.

Sì ma noi vogliamo prendere l'ascensore! Era questa la risposta che davamo ai tempi in cui io ero bambino, più o meno a cavallo tra le prime due guerre puniche (scherzo, eh?). In effetti, il mondo è fatto davvero a scale, proprio inteso come realtà fisica del mondo. La biologia, che di questo mondo (e, azzardo un sicuramente anche di altri) fa parte, non fa alcuna eccezione. Tutt'altro. Il punto è di quali scale stiamo parlando: sì, perché ci sono scale spaziali e scale temporali. Le scale spaziali non hanno nulla a che vedere con le alabarde spaziali (mi è partita la sigla finale di Goldrake: scusate, nel '78 ero un bambino di 5 anni), ma si riferiscono al nostro sguardo sui fenomeni biologici che va dal decimilionesimo del metro (il cosiddetto Ångstrom con quel suo nome da mobile componibile svedese) agli esseri viventi più grandi conosciuti sul nostro pianeta (al momento gli oltre 30 metri della balenottera azzurra). Un rapido calcolo ci dice che il fattore di scala (cioè il rapporto tra la lunghezza dell'animale più grande e la distanza tra due atomi in una molecola biologica) è 11, cioè 11 moltiplicazioni consecutive per 10. La situazione per le scale temporali è anche più impressionante: i fenomeni biologici più veloci avvengono su scale che sono dell'ordine del milionesimo di miliardesimo di secondo (il cosiddetto femtosecondo) per l'assorbimento della luce in un sistema fotosintetico (o anche nelle cellule della nostra retina), mentre l'animale più longevo (la spugna di mare, ma esiste un animale che è praticamente eterno) arriva ai 10mila anni. Il fattore di scala è pari a 26. Ora, con quale animo o con quale coraggio pretendiamo di poter studiare la vita con tutte le sue scale simulandola sui nostri calcolatori? Già, non è affatto una cosa facile e la situazione non cambia se riduciamo le nostre ambizioni alla sola cellula. Il fattore di scala spaziale è intorno a 5, ma quello temporale resta comunque almeno intorno a 21 (100mila secondi in fondo sono soltanto poco più di un giorno e la maggior parte delle nostre cellule vive per mesi).