Le biomolecole, come gli aminoacidi e gli zuccheri, si presentano in due forme simmetriche, mentre negli organismi viventi ne esiste solo una. Non sappiamo ancora perché questo avvenga. I ricercatori dell’Empa e del Centro di ricerca di Jülich hanno ora trovato la prova che la causa potrebbe essere l’interazione tra campi elettrici e magnetici.
La chiralità della vita - il fatto che tutte le biomolecole degli organismi viventi esistano in una sola delle due forme simmetriche - è già stata oggetto di molte riflessioni da parte di importanti scienziati, a partire da Louis Pasteur, lo scopritore della chiralità molecolare, William Thomson (Lord Kelvin) e il premio Nobel Pierre Curie. Manca ancora una spiegazione conclusiva, poiché le due forme sono, ad esempio, ugualmente stabili dal punto di vista chimico e non possono essere distinte l’una dall’altra per le loro proprietà fisico-chimiche. Tuttavia, l’ipotesi che l’interazione tra campi elettrici e magnetici possa spiegare la preferenza per l’una o l’altra forma simmetrica di una molecola - nota come enantiomero - è stata avanzata molto presto.
Ma solo pochi anni fa la prima prova indiretta ha dimostrato che le più diverse combinazioni di questi campi di forza possono effettivamente "distinguere" tra le due immagini speculari di una molecola. Questo risultato è stato ottenuto studiando l’interazione di molecole chirali con superfici metalliche che presentano un forte campo elettrico su brevi distanze. È per questo che le superfici di metalli magnetici come il ferro, il cobalto o il nichel possono essere utilizzate per combinare campi elettrici e magnetici in modi diversi, semplicemente invertendo la direzione della magnetizzazione, da "nord in alto - sud in basso" a "sud in alto - nord in basso". Se l’interazione tra magnetismo e campi elettrici innesca effettivamente effetti "enantioselettivi", allora anche l’intensità dell’interazione tra molecole chirali e superfici magnetiche dovrebbe essere diversa, a seconda che una molecola "destrorsa" o "sinistrorsa" sia "depositata" sulla superficie.
Ed è proprio questo il caso, come hanno recentemente riportato sulla rivista specializzata "Advanced Materials" i ricercatori dell’Empa guidati da Karl-Heinz Ernst del dipartimento "Surface Science and Coating Technologies" e dai colleghi del Peter Grünberg Institute del centro di ricerca di Jülich, in Germania. Il team ha depositato piccole "isole" ultrasottili di cobalto magnetico su una superficie di rame (non magnetica) e ha determinato la direzione del campo magnetico in queste isole utilizzando la microscopia a scansione tunnellizzata spin-polarizzata; come già detto, questa direzione può essere di due tipi diversi, perpendicolare alla superficie del metallo: Nord in alto o Sud in alto. Su queste isole di cobalto sono state poi depositate, sotto vuoto spinto, molecole chirali a forma di spirale elicoidale, ovvero una miscela 1:1 di molecole eptaeliche sinistre e destre.
Poi hanno contato - in modo molto semplice e utilizzando anche la microscopia a scansione tunnel - il numero di molecole elicoidali destre e sinistre sulle isole di cobalto diversamente magnetizzate, quasi 1.000 molecole in tutto. Ed ecco che, a seconda della direzione di magnetizzazione, l’una o l’altra forma di spirale elicoidale era quella preferita (vedi illustrazione, pagina a destra).
Inoltre, gli esperimenti hanno dimostrato che la selezione - la preferenza per l’una o l’altra forma di elica - avviene non solo durante il legame con le isole di cobalto, ma anche prima. Prima di occupare la posizione definitiva (preferita) su una delle isole di cobalto, le molecole percorrono lunghe distanze sulla superficie in uno stato precursore molto più debolmente legato, "cercando" una posizione ideale. In questo modo, sono legate alla superficie solo dalle cosiddette forze di van der Waals. Queste sono causate da fluttuazioni nell’involucro elettronico di atomi e molecole e sono quindi forze di legame relativamente deboli. Finora non si sapeva che anche queste forze fossero influenzate dal magnetismo, cioè dal senso di rotazione (spin) degli elettroni.
Grazie alla microscopia a scansione tunnel, i ricercatori sono riusciti a svelare anche un altro enigma, come avevano già annunciato a novembre sulla rivista specializzata "Small". Il trasporto di elettroni - in altre parole, la corrente elettrica - dipende anche da una combinazione di orientamento delle molecole e magnetizzazione della superficie. A seconda dell’orientamento delle molecole legate, gli elettroni con un senso di rotazione (spin) fluiscono preferenzialmente attraverso la molecola, mentre gli elettroni con lo spin "sbagliato" vengono filtrati. Questa selettività di spin degli elettroni indotta dalla chiralità (effetto CISS, vedi illustrazione, pagina a sinistra) era già stata osservata in studi precedenti, ma non si sapeva se fosse necessario un insieme di molecole o se anche le singole molecole mostrassero questo effetto. Karl-Heinz Ernst e i suoi colleghi sono ora riusciti a dimostrare che anche le molecole di elicina isolate presentano l’effetto CISS. "Ma non abbiamo ancora capito la fisica che c’è dietro", ammette senza mezzi termini Karl-Heinz Ernst.
Né, secondo Karl-Heinz Ernst, i suoi risultati possono fornire una risposta completa alla questione della chiralità della vita. Una domanda che Vladimir Prelog, premio Nobel per la chimica e chimico del Politecnico di Zurigo, aveva già definito "uno dei primi problemi della teologia molecolare" nel suo discorso per il Nobel del 1975. Ma il ricercatore dell’Empa può ben immaginare che durante alcune reazioni chimiche catalizzate dalla superficie - come potrebbero essere avvenute nel "brodo primordiale" chimico - la combinazione di campi elettrici e magnetici avrebbe potuto portare a un arricchimento costante di una o dell’altra forma delle varie biomolecole - e quindi, in ultima analisi, all’acquisizione della vita.
È così che si manifesta la selettività di spin degli elettroni indotta dalla chiralità (effetto CISS): Gli elettroni (e- o palline rosse e verdi con una freccia che indica lo spin degli elettroni, verso l’alto o verso il basso) con il senso di rotazione (spin) "sbagliato" vengono trattenuti o filtrati quando attraversano le molecole a forma di spirale, a seconda della posizione delle spirali (vite a sinistra o a destra), in modo da far prevalere uno spin degli elettroni (a sinistra dell’immagine, elettroni con la freccia verso il basso). Il campo elettrico di una superficie metallica (E, rivolto verso l’alto, a destra dell’immagine) sposta gli elettroni nelle molecole eptaeliche legate; questi si accumulano leggermente nella parte inferiore della molecola, vicino alla superficie. Nel caso delle molecole chirali, gli elettroni di spin diverso vengono spostati in modo diverso a seconda della posizione della molecola. La molecola diventa "spin-polarizzata", cioè diventa anche magnetica. A seconda della direzione in cui la superficie metallica è magnetizzata, le molecole chirali interagiscono in modo diverso con essa. In questo esempio, la spirale viola si lega alla superficie più fortemente di quella gialla, perché gli spin opposti si "attraggono" (gli elettroni sovrapposti di spin diversi).
