Come quantificare il non-equilibrio dei meccanismi chimici alla base della vita

Un gruppo internazionale di ricerca ha messo a punto per la prima volta un sistema che permette di quantificare le caratteristiche di non-equilibrio all’interno di qualsiasi network di reazioni chimiche. I risultati dello studio potrebbero permettere di progettare nuovi sistemi chimici con proprietà simili alla vita, tra cui l'immagazzinamento di energia. Pubblicata sulla rivista Chem, la ricerca è stata realizzata grazie a una collaborazione internazionale che coinvolge l’Università di Bologna, l’Università di Strasburgo, l’Università del Maine e la Northwestern University di Chicago.

"Questo studio rappresenta un passo in avanti significativo nella nostra comprensione dei fenomeni chimici lontani dall’equilibrio termodinamico", commenta Alberto Credi, professore al Dipartimento di Chimica Industriale "Toso Montanari" dell’Università di Bologna e coautore della ricerca. "I risultati raggiunti offrono una nuova prospettiva sul ruolo centrale della compartimentazione in biologia e sulla sua importanza nel sostenere gli organismi viventi fuori dall'equilibrio".

Da un punto di vista chimico, infatti, la vita si presenta in condizioni di non-equilibrio, con sistemi che evolvono lontano dall'equilibrio, piuttosto che verso di esso. Tanto che quando i processi chimici che avvengono in un organismo vivente raggiungono l'equilibrio, l'organismo è morto. Diventa quindi fondamentale riuscire a sapere in che direzione procede una reazione chimica: verso l'equilibrio o verso il non-equilibrio.

"Un input di energia, che non è intrinsecamente direzionale, può sicuramente spostare una reazione chimica lontano dall'equilibrio, ma rimane la domanda sulla direzione dello spostamento", spiega Raymond D. Astumian, professore all'Università del Maine, tra gli autori dello studio. "La quantità che controlla la direzione dello spostamento è chiamata asimmetria cinetica".

Nonostante l’importanza dell’asimmetria cinetica, però, fino ad oggi la sua quantificazione e applicazione in sistemi artificiali era limitata a network di reazioni chimiche molto semplici. Grazie a questo nuovo studio, per la prima volta, diventa possibile quantificare l'asimmetria cinetica anche in network complessi.

In questo modo diventa possibile accelerare la realizzazione di sistemi chimici che operano fuori dall'equilibrio: elementi cruciali per creare materiali propri dei sistemi viventi e per lo sviluppo di nanotecnologie di nuova generazione.

"Per la nostra ricerca, all'intersezione tra sperimentazione e teoria, ci siamo ispirati ai sistemi biologici che utilizzano energia per realizzare dei movimenti direzionali, come avviene ad esempio nei nostri muscoli", aggiunge Giulio Ragazzon, professore all'Università di Strasburgo e coordinatore dello studio. "La conversione di energia a livello molecolare è infatti una sfida formidabile e un'enorme opportunità".

L’importanza e l’efficacia dei risultati dello studio è stata subito dimostrata da una collaborazione con un secondo gruppo di ricerca, della Sichuan University, in Cina, che stava studiando una complessa macchina molecolare in grado di sfruttare l'energia della luce per muovere un anello molecolare in condizioni di non-equilibrio. Applicando la nuova teoria al loro problema, gli studiosi cinesi sono riusciti a svelare il funzionamento di questo congegno molecolare, quantificando con precisione il suo comportamento di non-equilibrio. I risultati – pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie – dimostrano l'impatto immediato del nuovo quadro teorico e il suo potenziale per aprire la strada a importanti innovazioni nel campo delle nanotecnologie.

Un traguardo, questo, che è arrivato anche grazie a una lunga storia di amicizia e collaborazione nata all'Università di Bologna. Due protagonisti dello studio - il coordinatore Giulio Ragazzon, chimico dell'Università di Strasburgo, e il primo autore Emanuele Penocchio, ricercatore postdoc alla Northwestern University - si conobbero infatti, ancora studenti, al Collegio Superiore dell'Alma Mater e hanno proseguito il loro percorso con un dottorato nel gruppo di ricerca guidato da Alberto Credi, altro autore dello studio e oggi Prorettore per la Ricerca dell'Alma Mater. Nonostante siano passati oltre dieci anni da allora, l'entusiasmo per la ricerca li ha portati a continuare la proficua collaborazione fino ad oggi, ormai al settimo lavoro condiviso.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Chem con il titolo “Analysis of kinetic asymmetry in a multi-cycle reaction network establishes the principles for autonomous compartmentalized molecular ratchets”. I risultati ottenuti nascono dal lavoro di un team internazionale con sede in Francia, Stati Uniti e Italia, composto da chimici e fisici: Giulio Ragazzon e Ahmad Bachir (Università di Strasburgo, Francia), R. Dean Astumian (Università del Maine, USA), Emanuele Penocchio (Northwestern University, USA) e Alberto Credi (Università di Bologna).