Martin Hanczyc: Il confine tra vita e non-vita

Esiste un enorme divario tra i sistemi che la gente, storicamente, considera non viventi e quelli considerati viventi. Si passa, ad esempio, da questo gradevole e complesso cristallo, considerato non vivo, a questo gatto, anch'esso bello e complesso. Ma nel corso degli ultimi 150 anni, più o meno, la scienza ha reso meno netta la distinzione tra sistemi viventi e non viventi, e ora si pensa che possa esistere una qualche continuità tra i due. Facciamo un esempio: un virus è un sistema naturale, giusto? Ma è molto semplice, molto elementare. Esso non soddisfa tutti i requisiti, non ha tutte le caratteristiche di un sistema vivente, e infatti è un parassita che usa altri sistemi viventi per, ad esempio, riprodursi ed evolversi.

Ma questa sera parleremo di esperimenti effettuati all'estremo non vivente dello spettro -- in pratica, condurremo esperimenti chimici in laboratorio, mescolando insieme ingredienti non vivi per realizzare nuove strutture, che potrebbero avere alcune caratteristiche dei sistemi viventi. Sto davvero parlando della creazione di una qualche vita artificiale.

Quali sono, dunque, le caratteristiche a cui mi riferisco? Eccole. Innanzitutto, la vita ha un corpo. Bisogna distinguere il proprio essere dall'ambiente circostante. La vita è dotata anche di metabolismo. Si tratta di un processo tramite il quale la vita converte le risorse prese dall'ambiente in mattoni base, in modo da conservare e costruire se stessa. Ed è anche dotata di informazione ereditabile. Noi, esseri umani, immagazziniamo l'informazione sotto forma di DNA nei nostri genomi e trasmettiamo quest'informazione ai nostri discendenti. Se uniamo i primi due -- corpo e metabolismo -- possiamo ottenere un sistema che potrebbe forse muoversi e replicarsi, e aggiungendo l'informazione ereditabile possiamo ottenere un sistema che sarebbe più simile alla vita, e che forse si evolverebbe. Ecco cosa cercheremo di fare in laboratorio: creare esperimenti che abbiano una o più di queste caratteristiche della vita.

Come facciamo? Beh, usiamo un modello che chiamiamo protocella. Potete immaginarla come una specie di cellula primitiva. È un semplice modello chimico di una cellula viva, e se pensate, ad esempio, ad una cellula del vostro corpo, questa richiede l'assemblamento di milioni di molecole diverse, e la loro interazione in un network complesso, perché si generi qualcosa che, per noi, sia vivo. In laboratorio vogliamo ottenere praticamente lo stesso risultato, ma utilizzando decine di diversi tipi di molecole -- dunque riducendo drasticamente la complessità, ma cercando sempre di produrre un qualcosa di apparentemente vivo. Cominciamo dunque dalle cose semplici, per poi arrivare progressivamente a dei sistemi viventi. Considerate questa citazione di Leduc, cento anni orsono, su una possibile biologia sintetica: "La sintesi della vita, se mai sarà realizzata, non sarà la scoperta sensazionale che noi di solito associamo all'idea." È la sua prima affermazione. Dunque, se realmente creeremo vita nei laboratori, probabilmente non avrà alcun impatto sulle nostre vite.

"Se accettiamo la teoria dell'evoluzione, allora l'alba della sintesi della vita deve consistere nella produzione di forme intermedie tra il mondo organico e inorganico, o tra il mondo non vivente e quello vivente, forme che vantano solo qualche attributo rudimentale della vita" -- vale a dire, quelle cui ho appena accennato -- "a cui saranno lentamente aggiunti altri attributi nel corso dello sviluppo tramite azioni evolutive all'interno dell'ambiente." Cominciamo da cose semplici, da qualche struttura che potrebbe avere alcune delle caratteristiche della vita, poi proviamo a svilupparle così che sembrino più vive. Possiamo così iniziare a creare una protocella. Usiamo questa idea chiamata autoassemblaggio. Posso cioè mescolare alcune sostanze chimiche in una provetta in laboratorio, e queste cominceranno a legarsi da sole, formando strutture sempre più larghe. Decine, dunque, anzi centinaia di migliaia di molecole si uniranno per formare un'ampia struttura che prima non esisteva. In questo particolare esempio, ho preso alcune molecole di membrana, le ho mescolate nell'ambiente adeguato e in pochi secondi si formano queste strutture belle e complesse. Queste membrane sono anche molto simili, morfologicamente e funzionalmente, alle membrane del vostro corpo, e le possiamo usare, per così dire, nella formazione del corpo della nostra protocella.

Similmente, possiamo lavorare con sistemi di acqua e olio. Come sapete, se mettete insieme acqua ed olio non si mescolano, ma attraverso l'autoassemblaggio possiamo formare una graziosa goccia d'olio e utilizzarla per farne un corpo del nostro organismo artificiale, o protocella, come vedremo in seguito. Finora stiamo solo costruendo corpi, giusto? Delle architetture. E gli altri aspetti dei sistemi viventi? Abbiamo creato il modello di protocella che vi sto mostrando. Abbiamo cominciato con un'argilla naturale nota come montmorillonite. La vedete nella stessa forma presente in natura. Forma una superficie chimicamente attiva. Potrebbe supportare un metabolismo. Ad alcuni tipi di molecole piace legarsi con l'argilla. Qui, ad esempio, l'RNA, in rosso -- è un parente del DNA, è una molecola informativa -- può cominciare a legarsi con la superficie di quest'argilla. Questa struttura può così organizzare la formazione di una parete membranosa intorno a sé, e può dunque formare un corpo usando le molecole liquide circostanti, che in questa microfotografia sono verdi. Col solo autoassemblaggio, dunque, mescolando sostanze in laboratorio, si genera, ad esempio, una superficie metabolica con annesse alcune molecole informative all'interno di questo corpo membranoso.

Ci stiamo dunque avvicinando agli organismi viventi. Ma osservando questa protocella, non la confondereste con qualcosa di vivo. In realtà è senza vita. Una volta formata, non fa proprio nulla. Manca qualcosa, dunque. Mancano alcune cose. Manca, ad esempio - se un flusso di energia scorresse dentro un sistema, vorremmo una protocella in grado di captare parte dell'energia per sostenersi, proprio come fanno i sistemi viventi. E così creammo un diverso modello di protocella, più semplice del precedente. Questo modello è una semplice goccia d'olio, ma ha al suo interno un metabolismo chimico che consente alla protocella di usare l'energia per fare qualcosa, per diventare veramente dinamica, come vedremo. Aggiungiamo la goccia al sistema. Questo è uno specchio d'acqua, e la protocella comincia a muoversi all'interno del sistema. La goccia d'olio si forma tramite autoassemblamento, ha un metabolismo chimico al suo interno, quindi può usare l'energia e la usa per muoversi all'interno del suo ambiente circostante.

Come abbiamo sentito prima, il movimento è essenziale in questi tipi di sistemi "viventi". Si muove, esplora l'ambiente circostante e, come potete vedere, lo rimodella, usando le onde chimiche intorno alla protocella. Si comporta da sistema "vivo", per così dire, che cerca di preservare se stesso. Qui prendiamo questa stessa protocella mobile, e la inseriamo in un altro esperimento, facendola muovere. Poi aggiungerò un po' di cibo al sistema, che qui vedete in blu. Aggiungo una fonte di cibo al sistema. La protocella si muove, incontra il cibo, si riconfigura ed è realmente in grado di raggiungere la concentrazione più elevata di cibo presente nel sistema e fermarvisi. Questo sistema, dunque, non è dotato solo di un corpo, ma anche di un metabolismo, può usare l'energia e si muove. Può percepire il suo ambiente locale e trovare le risorse presenti nell'ambiente per sostenersi.

Non ha un cervello, non ha un sistema neurale. È un sacchetto di sostanze chimiche con questo interessante e complesso comportamento, simile alla vita. Se contiamo il numero di sostanze chimiche presenti nel sistema, inclusa l'acqua nella piastra, bastano 5 sostanze per fare tutto questo. Abbiamo dunque messo insieme queste protocelle in un singolo esperimento per vedere cosa fanno, e a seconda delle condizioni, abbiamo visto che alcune protocelle a sinistra si muovono e vogliono toccare le altre strutture presenti nell'ambiente. D'altro canto abbiamo anche due protocelle in movimento che vogliono girarsi attorno, e formano tra loro una specie di danza complessa. Non sono solo, quindi, le singole protocelle a mostrare quel che abbiamo interpretato come comportamento, ma in sostanza abbiamo un comportamento collettivo simile a quello mostrato dagli organismi. Ora che siete tutti esperti di protocelle, faremo insieme un gioco con le protocelle. Ne creeremo due tipi diversi. La Protocella A è caratterizzata da una chimica al suo interno che, quando attivata, comincia a farla muovere, come se danzasse. Ricordate, si tratta di oggetti "primitivi", quindi il fatto che danzino è molto interessante, per noi. (Risate).

La seconda protocella è caratterizzata da una chimica interna diversa, e quando è attivata ammassa tutte le protocelle e le fonde in un'unica grande protocella. Ora le abbiamo appena messe insieme nello stesso sistema. Abbiamo dunque la popolazione A e la popolazione B. Poi noi attiviamo il sistema, e le protocelle B, quelle blu, si riuniscono. Si fondono creando un grande protocella, e l'altra protocella continua a danzare. E ciò accade finché si consuma tutta l'energia del sistema, e a quel punto... fine! Ho ripetuto questo esperimento moltissime volte, e una volta è accaduta una cosa molto interessante. Ho aggiunto queste protocelle al sistema, e la protocella A e la protocella B si sono fuse formando la protocella ibrida AB. Non era accaduto in passato. Eccole. Ora c'è una protocella AB nel sistema. La protocella AB vuole danzare un po', mentre la protocella B si fonde.

Ma poi accade una cosa ancora più interessante. Osservate queste due grandi protocelle, quelle ibride, mentre si fondono. Ora abbiamo una protocella danzante ed un evento di autoreplicazione. Ecco. (Risate). Stiamo ancora parlando di gocce di sostanze. Funziona così: avete un semplice sistema di cinque sostanze chimiche, un sistema semplice. Una volta ibridate, si forma qualcosa che è diverso da prima, di più complesso, ed emerge un altro tipo di comportamento simile alla vita che in questo caso è la replicazione.

Dato, dunque,che possiamo creare alcune protocelle di nostro gusto, con colori e comportamenti interessanti, molto semplici da realizzare, e dato che mostrano interessanti proprietà simili alla vita, forse queste protocelle possono dirci qualcosa sull'origine della vita sulla Terra. Forse rappresentano un primo passo comprensibile, uno dei primi passi della vita sulla Terra primordiale. Certamente c'erano delle molecole sulla Terra primordiale, ma non simili a questi composti puri su cui abbiamo lavorato, e che vi ho mostrato negli esperimenti. Forse, semmai, sono stati una miscela complessa di ogni tipo di cosa, dato che reazioni chimiche incontrollate producono una miscela di diversi composti organici. Immaginatela come un brodo primordiale. È un insieme che è troppo difficile da caratterizzare, anche usando metodi moderni ed il prodotto sembra marrone, come questa pece a sinistra. Mostriamo anche un composto puro a destra, per confronto.

È una cosa simile a quello che avviene quando prendete dei cristalli di zucchero puro in cucina, li mettete in pentola ed applicate dell'energia. Aumentate il calore, cominciate a creare o spezzare legami chimici nello zucchero, formando del caramello bruno, giusto? Se permettete che vada avanti senza controllo, continuerete a formare e spezzare legami chimici, formando una mistura ancora più variegata di molecole che poi formano questa specie di pece nera nella pentola che è difficile da lavar via. Ecco quindi l'aspetto che l'origine della vita avrebbe potuto avere. La vita dovette sorgere da questa poltiglia primordiale, presente sulla Terra 4 o 4,5 miliardi di anni orsono. La sfida, quindi, è scartare tutte le sostanze chimiche pure del laboratorio, e cercare di creare protocelle con proprietà simili alla vita con questa specie di brodo primordiale.

Allora potremo rivedere l'autoassemblaggio di questi corpi costituiti da gocce d'olio, che abbiamo visto precedentemente, e queste macchie nere all'interno rappresentano questa pece nera -- una variegata, organica e molto complessa pece nera. Le inseriamo in uno di questi esperimenti, come avete visto prima, e poi osserviamo il movimento che ne scaturisce. Sembrano andare bene, è un bel movimento, e sembra anche che mostrino un qualche tipo di comportamento quando sembrano circolare l'una intorno all'altra ed inseguendosi, tipo quella vista prima -- ma ricordiamo, lavorando solo su condizioni primordiali, senza usare sostanze chimiche pure. Queste protocelle, alimentate a pece, sono anche in grado di reperire risorse nel loro ambiente. Qui, nel lato sinistro, aggiungerò alcune risorse che si diffondono nel sistema e potete osservare quanto le apprezzano. Diventamo molto attive, e in grado di trovare le risorse nell'ambiente, in modo simile a quanto abbiamo visto prima. Ma, stiamo, ancora, operando in condizioni primordiali, molto disordinate, non condizioni da laboratorio sterile. Sono proprio delle piccole, sporche protocelle. (Risate) Ma hanno proprietà simili alla vita.

Realizzare questi esperimenti di vita artificiale, dunque, ci aiuta a definire un possibile percorso tra i sistemi viventi ed i sistemi non viventi. Non solo, ma ci aiuta anche ad ampliare la nostra concezione della vita e di quali possibili vite possano esistere nell'universo -- magari molto diverse dalla vita che troviamo qui sulla Terra. Tutto questo mi conduce alla prossima definizione, quella di "vita strana". È una definizione usata da Steve Benner. È usata in riferimento ad un report del 2007 del National Research Council degli Stati Uniti, in cui hanno cercato di capire in che modo possiamo cercare la vita altrove nell'universo, specie se ha una forma molto diversa dalla vita sulla Terra. Se fossimo andati su un altro pianeta e avessimo ipotizzato la presenza della vita, come avremmo potuto riconoscerla?

Be', hanno individuato tre criteri molto generali. Il primo - sono elencati qui. Il primo è che il sistema deve essere in non-equilibrio. Il sistema, cioè, non deve essere morto. In sostanza, c'è un input di energia nel sistema che la vita può usare e sfruttare per sostenersi. È simile al Sole che brilla sulla Terra, alimentando la fotosintesi, che alimenta l'ecosistema. Senza il Sole, probabilmente, non vi sarebbe vita su questo pianeta. In secondo luogo, la vita deve essere liquida, il che vuol dire che anche se trovassimo delle strutture interessanti, molecole interessanti unite tra loro ma congelate in uno stato solido, allora non sarebbe un buon posto per la vita. Terzo, dobbiamo poter creare e spezzare legamici chimici. Questo, ripeto, è importante perché la vita trasforma le risorse tratte dall'ambiente in mattoni base, per sostenersi.

Oggi vi ho parlato di protocelle molto strane e curiose -- alcune contengono argilla, alcune hanno un brodo primordiale al loro interno, alcune sostanzialmente contengono olio, al loro interno, anziché acqua. La maggior parte di esse non contiene DNA, ma hanno proprietà simili alla vita. Ma queste protocelle soddisfano quei requisiti generali per i sistemi viventi. Dunque, realizzando questi esperimenti chimici di vita artificiale, speriamo non solo di fare qualche scoperta fondamentale sull'origine della vita e sulla presenza della vita su questo pianeta, ma anche di capire quali possibili vite potrebbero abitare là fuori, nell'universo. Grazie. (Applausi)