Lee Cronin: Dare vita alla materia

Quello che cercherò di fare nei prossimi 15 minuti è parlarvi di un'idea, di come daremo vita alla materia. Può sembrare un po' ambizioso, ma se vi guardate, guardate le vostre mani, vi rendete conto di essere vivi. È un inizio. Questa sfida è iniziata 4 miliardi di anni fa sul pianeta Terra. Sono trascorsi 4 miliardi di anni di vita organica, biologica. In quanto studioso di chimica inorganica, i miei amici e i miei colleghi fanno questa distinzione, tra il mondo organico, vivente e il mondo inorganico, morto. Quello che cercherò di fare è seminare qualche idea su come trasformare la materia inorganica, morta, in materia vivente, in biologia inorganica.

Prima di farlo, vorrei dare alla biologia il valore che merita. La biologia mi affascina. Adoro fare biologia sintetica. Adoro tutto ciò che è vivo. Adoro manipolare le infrastrutture della biologia. Ma all'interno di quell'infrastruttura, dobbiamo ricordarci che la forza motrice della biologia viene in realtà dall'evoluzione. E l'evoluzione, nonostante sia stata stabilita più di 100 anni fa da Charles Darwin e da un ampio numero di persone, è ancora in qualche modo impalpabile. Quando parlo di evoluzione darwiniana, intendo una ed una sola cosa, vale a dire la selezione naturale. Dimenticatevi quindi dell'evoluzione in termini metafisici. Pensate all'evoluzione in termini di specie in competizione, in cui alcune prevalgono.

Tenendo questo in mente, da chimico, mi sono posto la domanda vanificata dalla biologia: qual è l'unità minima di materia che rientra sotto il cappello dell'evoluzione darwiniana? Sembra una domanda piuttosto profonda. E, da chimico, non mi trovo ogni giorno davanti a domande profonde. Poi pensandoci, improvvisamente mi sono reso conto che la biologia ci offriva la risposta. E infatti, la più piccola unità di materia che può evolvere in maniera indipendente è, di fatto, una singola cellula -- un batterio.

Quindi questo fa sorgere tre domandi importanti: Cos'è la vita? La biologia è speciale? I biologi pensano che lo sia. La materia è in grado di evolversi? Se rispondiamo a queste domande in ordine inverso, la terza domanda -- la materia è in grado di evolversi? -- se possiamo rispondere a questa, allora sapremo quanto è speciale la biologia, e forse, dico forse, avremo un'idea di quello che è realmente la vita.

Ecco qui della vita inorganica. Questo è un cristallo morto, ora gli farò qualcosa per fargli prendere vita. E potete vedere, in qualche modo viene impollinato, germina, cresce. Questo è un tubo inorganico. E tutti questi cristalli al microscopio erano morti qualche minuto fa, e ora sembrano vivi. Certo, non sono vivi. È un esperimento chimico in cui ho fatto un giardino di cristalli. Ma quando l'ho visto, sono rimasto affascinato, perché sembrava vivo. E mentre lo metto in pausa per qualche secondo, date un'occhiata allo schermo. Vedete che c'è un'infrastruttura che cresce, che colma il vuoto. E questo è morto. Quindi ero certo che, se riusciamo a far simulare la vita alle cose, allora facciamo un passo avanti. Vediamo se riusciamo davvero a creare della vita.

Ma c'è un problema, perché fino a un decennio fa, ci dicevano che le vita era impossibile e che noi eravamo il miracolo più incredibile dell'universo. In effetti, eravamo le uniche persone nell'universo. Bene, tutto ciò è abbastanza noioso. Quindi in quanto chimico, voglio dire: "Aspetta un attimo. Cosa sta succedendo? La vita è così improbabile?" E questa è la vera domanda. Credo che forse la nascita delle prime cellule fosse probabile tanto quanto la nascita delle stelle. Anzi, facciamo un passo avanti. Diciamo che se la fisica della fusione è codificata nell'universo, forse lo è anche la fisica della vita. Quindi il problema di noi chimici -- che è anche un enorme vantaggio -- è che amiamo concentrarci sui nostri elementi. In biologia, il carbonio è al centro dell'attenzione. E in un universo dove esistono il carbonio e la biologia organica, c'è questa meravigliosa diversità di vita. In effetti, esistono queste straordinarie forme di vita che possiamo manipolare. Siamo terribilmente attenti in laboratorio per cercare di evitare rischi biologici.

E per quanto riguarda la materia? Se possiamo dare vita alla materia, creiamo rischi derivanti dalla materia? Pensateci, è una domanda importante. Se la vostra penna potesse replicarsi, sarebbe un po' un problema. Dobbiamo quindi pensare diversamente se vogliamo dare vita alle cose. E dobbiamo anche essere consapevoli delle difficoltà. Ma prima di creare la vita, pensiamo un attimo a che cosa caratterizza realmente la vita. E dimenticatevi i diagrammi complicati. Questa è solo una collezione di cicli nella cellula. E ovviamente la cellula per noi è affascinante. La biologia sintetica la sta manipolando. I chimici stanno cercando di studiare le molecole per studiare le malattie. E vedete tutti questi cicli tutti nello stesso momento. Ci sono delle regole, l'informazione viene trascritta, vengono creati i catalizzatori: sta succedendo qualcosa. Ma cosa fa una cellula? Si divide, compete, sopravvive. E credo che da qui dobbiamo iniziare quando vogliamo pensare a costruire partendo dalle nostre idee nella vita.

Ma cos'altro caratterizza la vita? Mi piace pensare alla vita come a una fiamma in una bottiglia. E quindi quello che abbiamo qui è una descrizione di singole cellule che si replicano, metabolizzano, bruciano attraverso la chimica. Dobbiamo quindi capire che se vogliamo creare la vita artificiale o capire l'origine della vita, dobbiamo darle energia in qualche modo. Quindi prima ancora di cominciare a creare vita, dobbiamo riflettere sulla sua origine. E Darwin stesso affermava, in una lettera a un collega, di essere convinto che la vita avesse avuto origine in un qualche stagno tiepido da qualche parte -- forse non in Scozia, forse in Africa, forse da qualche altra parte. Ma la risposta più sincera, è semplicemente che non lo sappiamo, perché c'è un problema di origine. Immaginate di tornare indietro di 4 miliardi e mezzo di anni, in un enorme brodo di roba chimica. E da quella roba abbiamo avuto origine.

Quindi quando pensate alla natura improbabile di quello che vi racconterò nei prossimi cinque minuti, ricordate che noi siamo venuti da quella roba sul pianeta Terra. E abbiamo attraversato una varietà di mondi. La gente dell'RNA parlerebbe del mondo dell'RNA. Noi siamo arrivati in qualche modo alle proteine e al DNA. Poi siamo arrivati all'ultimo antenato. L'evoluzione è cominciata -- e questa è la parte bella. Ed eccoci qui. Ma c'è un ostacolo che non si riesce a superare. Si può decodificare il genoma, si può guardare indietro, e collegare tutti noi attraverso un DNA mitocondriale, ma non si può andare più indietro dell'ultimo antenato, dell'ultima cellula visibile che possiamo sequenziare o a cui possiamo risalire. Quindi non sappiamo come siamo arrivati qui.

Ci sono due opzioni: design intelligente, diretto e indiretto -- quindi Dio, o il mio amico. Ora, parlare di ET che ci ha messo qui, o di qualche altra forma di vita, spinge solo il problema oltre. Non sono un politico, sono uno scienziato. L'altra cosa a cui dobbiamo pensare è l'emergere della complessità chimica. Questo sembra molto probabile. Quindi c'è questa specie di brodo primordiale, che si rivela una buona fonte di tutti e 20 gli aminoacidi. E in qualche modo questi aminoacidi si combinano, e nasce la vita. Ma cosa vuol dire che nasce la vita? Cos'è la vita? Di cosa è fatta la vita?

Negli anni 50, Miller-Urey realizzò un fantastico esperimento chimico alla Frankenstein, esattamente il suo equivalente nel mondo chimico. Gli ingredienti base furono messi un unico recipiente, gli venne dato fuoco, e furono sottoposti all'alta tensione. Osservando quello che c'era nel brodo, vennero trovati degli aminoacidi, ma non ne venne fuori niente, non c'erano cellule. Quindi tutta l'area rimase ferma per un po', e ci fu una ripresa negli anni 80 quando sono nate le tecnologie analitiche e le tecnologie informatiche.

Nel mio laboratorio, cerchiamo di creare vita inorganica utilizzando diversi formati di reazione. Quello che cerchiamo di fare è creare reazioni -- non in una provetta, ma in decine di provette, e connetterle tra loro, come potete vedere da questo flusso, tutti questi tubi. Lo possiamo fare a livello di microfluidi, lo possiamo fare a livello litografico, lo possiamo fare con una stampante 3D, lo possiamo fare in goccioline per i colleghi. E l'elemento chiave è avere parecchia chimica complessa che ribolle. Ma finirà probabilmente in un fallimento, dobbiamo quindi concentrarci un po' di più.

E la risposta, ovviamente, la si vede nelle cavie. Ecco come mi ricordo di quello di cui ho bisogno in quanto chimico. Mi dico: "Voglio delle molecole." Ma ho bisogno di un metabolismo, di energia. Ho bisogno di informazioni, e mi serve un contenitore. Perché se voglio avere un'evoluzione, mi servono contenitori che competano. Avere un contenitore è come salire in macchina. "Questa è la mia macchina, e vado a fare un giro per far vedere la mia macchina." E immagino che ci sia una cosa simile nella biologia cellulare con l'emergere della vita. Quindi tutte queste cose messe insieme danno l'evoluzione, forse. E il modo di testarla in laboratorio è quello di renderla minimale.

Quindi quello che cercheremo di fare è creare un kit molecolare di Lego inorganico. Dimenticatevi le molecole sullo schermo, questo è un kit molto semplice. Ci sono solo tre o quattro tipi diversi di blocchi da costruzione. E li possiamo mettere insieme e creare letteralmente migliaia di grandi molecole nano-molecolari della stessa dimensione del DNA e delle proteine, ma niente carbonio in vista. Il carbonio non va bene. Quindi con questo kit di Lego, abbiamo la diversità richiesta per la memorizzazione di informazioni complesse senza DNA. Ma dobbiamo fare più contenitori. E solo qualche mese fa nel mio laboratorio, siamo stati in grado di prendere queste stesse molecole e crearci delle cellule. E potete vedere sullo schermo una cellula che si crea. E ci metteremo adesso un po' di chimica e faremo un po' di chimica in questa cellula. Quello che volevo mostrarvi è che si possono realizzare molecole in membrane, in cellule reali, e poi si crea una specie di Darwinismo molecolare, una sopravvivenza molecolare del più forte.

E questo filmato mostra la competizione tra molecole. Le molecole competono per la roba. Sono tutte fatte della stessa roba, ma vogliono che la loro forma vinca. Vogliono che la loro forma persista. E questa è la chiave. Se possiamo in qualche modo incoraggiare queste molecole a parlarsi tra loro e assumere le forme giuste e competere, cominceranno a formare cellule che si replicheranno e competeranno. Se riusciamo a fare questo, dimenticate i dettagli molecolari.

Proviamo a ingrandire per vedere cosa significa. C'è questa particolare teoria dell'evoluzione che si applica solo alla vita organica, a noi. Se potessimo portare l'evoluzione nel mondo materiale, allora credo dovremmo avere una teoria generale dell'evoluzione. E vale veramente la pena rifletterci. L'evoluzione controlla la sofisticazione della materia nell'universo? C'è una forza motrice attraverso l'evoluzione che permette alla materia di competere? Questo allora significa che potremmo cominciare a sviluppare diverse piattaforme per esplorare l'evoluzione. Immaginate quindi, se fossimo in grado di creare una forma di vita artificiale auto-sostenibile, non solo essa ci spiegherà l'origine della vita -- che è possibile che l'universo non abbia bisogno di carbonio per vivere, ma può usare qualunque cosa -- possiamo fare un passo avanti e sviluppare nuove tecnologie, perché possiamo usare il controllo via software per codificare l'evoluzione.

Immaginate quindi di poter fare una piccola cellula. Vogliamo inserirla nell'ambiente, e vogliamo che prenda l'energia dal sole. Quello che facciamo è inserirla in una scatola con una luce accesa. E non usiamo più il design. Scopriamo cosa funziona. Dovremmo trarre ispirazione dalla biologia. Alla biologia non interessa il design a meno che funzioni. Allora riconoscerà il modo in cui progettiamo le cose. Ma non solo questo, cominceremo a pensare a come sviluppare una relazione simbiotica con la biologia. Non sarebbe fantastico se potessimo prendere queste cellule biologiche artificiali e fonderle con quelle biologiche per correggere i problemi che non riusciamo a risolvere? Il vero problema della biologia cellulare è che non capiremo mai tutto, perché è un problema multidimensionale messo lì dall'evoluzione. L'evoluzione non può essere messa da parte. In qualche modo bisogna trovare la funzione adatta. E la scoperta più importante per me è che, se funziona, il concetto di gene egoista avanza di un livello, e cominciamo veramente a parlare di materia egoista.

E questo cosa significa in un universo dove ora siamo la forma di materia più elevata? Siete seduti su sedie. Sono inanimate, non sono vive. Ma siete fatti di materia, e state usando delle cose, e assoggettate le cose. Usare l'evoluzione nella biologia, e in biologia inorganica, secondo me è molto interessante, emozionante. E ci stiamo veramente avvicinando alla comprensione dei passi chiave che fanno prendere vita alla materia. E ancora una volta, quando pensate a quanto improbabile possa essere, ricordate, cinque miliardi di anni fa, non c'eravamo, e non c'era vita. Quindi questo cosa ci dirà

sull'origine della vita e sul significato della vita? Forse, in quanto chimico, voglio stare lontano dai termini generali, voglio pensare ai dettagli. Cosa significa definire la vita? È veramente difficile. E credo che se possiamo fare biologia inorganica e possiamo far evolvere la materia, di fatto definiremo la vita. Credo di potervi dire che la materia che evolve è viva, e questo ci dà l'idea di far evolvere la materia.

Grazie infinite.

(Applausi)

Chris Anderson: Solo una domanda veloce sui tempi. Crede di poter aver successo in questo progetto? Quando?

Lee Cronin: Molti pensano che ci siano voluti milioni di anni perché la vita cominciasse. Noi proponiamo di farlo in qualche ora, una volta messa in piedi la chimica giusta.

CA: E quando crede che potrà succedere?

LC: Se tutto va bene nei prossimi due anni.

CA: Questa sarebbe una grande storia. (Risate) Nella sua mente, quali sono le possibilità di camminare su un altro pianeta dove ci sia vita non a base di carbonio che cammini, strisci o altro?

LC: Credo che siano il 100% Il fatto è che siamo fanatici di biologia, ma se togliete il carbonio, possono accadere altre cose. L'altra cosa, se siamo in grado di creare vita non basata sul carbonio, forse possiamo dire alla NASA quello che devono cercare veramente. Non andate a cercare il carbonio, andate a cercare materia che si evolve.

CA: Lee Cronin, buona fortuna. (LC: Molte grazie.)

(Applausi)