Chimica computazionale
Matematica, fisica e calcolatori al servizio della chimica 

C’è chi vede nel computer uno strumento indispensabile di comunicazione, ormai. oppure un fedele compagno di avventure, di giochi, per la visione di film o documentari, da riduttore di distanze planetarie a organizzatore di matrimoni. Nello specifico della chimica, il PC è quasi irrinunciabile per la ricerca bibliografica, la raccolta e l’elaborazione dei dati, così come per la scrittura di relazioni, progetti, articoli scientifici, libri e trattati. Ma c’è anche qualcuno che col computer simula il comportamento delle molecole: è il chimico computazionale, che usa come strumento di lavoro processori e programmi di calcolo per risolvere problemi di natura chimica di ogni sorta.

Che cosa fa un chimico computazionale? Grazie agli algoritmi che i chimici teorici hanno scoperto cercando di risolvere l’equazione di Schrödinger, simula con un computer il comportamento delle molecole, le loro interazioni e la reattività chimica responsabile della loro trasformazione. La crescita della chimica computazionale è stata esplosiva, e oggi questa disciplina affronta problemi sempre più sofisticati per complessità scientifica e quantità delle risorse di calcolo richieste.

Dalla sua nascita nel 1947 con l’invenzione del transistor, lo sviluppo dei moderni calcolatori ha seguito la legge di Moore: il numero di transistor in un chip di silicio contenuto nella CPU raddoppia ogni due anni e di conseguenza la sua potenza elaborativa. Oggi il super computer giapponese chiamato “K”, con 10 milioni di miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo (10 petaflops), è il più veloce al mondo. Quali fondamentali misteri della chimica possono essere svelati tramite l’uso di simili calcolatori? Il numero di temi investigati è estremamente vasto e qui si cercherà di fornire un esempio delle potenzialità che si prospettano al chimico computazionale in un intrigante settore di ricerca: la chimica prebiotica.

Quando è il PC a suggerirci da dove veniamo
Siamo nell’ambito della sintesi dei costituenti fondamentali per la vita, le molecole prebiotiche (aminoacidi, zuccheri, acidi nucleici, ecc.). La questione è come i ‘mattoncini della vita’ si siano formati in una Terra primordiale ostile, da molecole semplici. Il dibattito è in corso e le ipotesi proposte spaziano dall’azione di fulmini e radiazioni UV sul cosiddetto brodo primordiale (Oparin e Haldane) grazie anche al ruolo delle superfici di minerali come catalizzatori nelle reazioni (Bernal), allo spazio interstellare e alle comete come ambiente di reazione, fino alle profondità senza luce dell’oceano con lo sviluppo di organismi primordiali vicino a particolari formazioni geologiche (fumaioli neri o black smokers).

Se ci spingiamo ancora più in la, però, la domanda è: come hanno reagito le molecole prebiotiche tra loro per formare biopolimeri più complessi come le proteine? La simulazione di possibili cammini di reazione, di interazioni tra diversi costituenti e del ruolo dei catalizzatori permette di far luce su diversi quesiti, altrimenti (quasi) inspiegabili e comunque difficilmente riproducibili nelle condizioni di un laboratorio chimico.

Le superfici si mettono in gioco
Ghiaccio interstellare, silicati inorganici e minerali come argille e feldspati: il ruolo delle superfici nello studio sull’origine della vita è indubbio. La simulazione quanto-meccanica al computer di modelli rappresentativi delle varie superfici e delle loro interazioni con l’aminoacido più semplice, la glicina, ha permesso di ottenere importanti indizi sui complessi meccanismi avvenuti ab origine. Se si considera che la glicina si formi da ammoniaca, formaldeide e acido cianidrico per blando riscaldamento secondo il meccanismo di Strecker, ci si può chiedere se questa reazione avvenga alle temperature molto basse del mezzo interstellare e circumstellare (ICM) e quale sia l’eventuale effetto catalitico del ghiaccio interstellare.

Una sotto-porzione di una struttura di ghiaccio di H₂O nella fase Ih rappresenta un buon modello con cui calcolare l’interazione delle molecole di NH₃, H₂CO₃ e HCN. La simulazione quanto meccanica mostra che la superficie del ghiaccio stabilizza i complessi attivati per interazioni a idrogeno con le molecole d’acqua di superficie: un effetto catalitico rilevante. Il risultato del calcolo aggiunge però un’altra informazione: la barriera energetica dello stadio finale nel meccanismo di Strecker, che converte l’aminoacetamide in glicina, è ancora troppo alta perché si verifichi alle temperature dell’ICM. Nuove simulazioni, in cui metanimina e monossido di carbonio dell’ICM reagiscono con ghiaccio ionizzato dalle forti radiazioni presenti, aprono una strada con basse barriere di attivazione verso la formazione di glicina.

Ci fidiamo? Un buon motivo lo si ha dal ritrovamento di glicina in grani di polvere della cometa 81P/Wild prelevati dalla missione della NASA Stardust Wild: l’osservazione è in accordo con la via simulata nel computer. Infine, una volta che la glicina sia finalmente giunta sulla Terra grazie alla pioggia meteoritica, cosa ipotizzare per la sua polimerizzazione in peptidi sempre più complessi, i primi veri costituenti di qualsiasi organismo? Questo è un processo che non è favorito in acqua e Bernal ipotizzò che fossero le superfici di argille e feldspati presenti già sulla Terra primigenia a favorirne la condensazione. La simulazione utilizza la superficie del sanidino (KAlSi₃O₈, feldspato) per studiare la condensazione di due molecole di glicina e mostra che la reazione avviene: il duplice ruolo del minerale, catalitico e protettivo dall’idrolisi nei confronti del peptide, è svelato nei suoi dettagli atomistici, dando credito all’ipotesi di una ‘polimerizzazione sulle rocce’ suggerita da Bernal, Orgel e altri.

Scienza in un chip
Con questo breve esempio si è voluto raccontare come oggi la ricerca in ambito chimico proceda in sinergia tra scienziati ‘sperimentali’ e ‘computazionali’. E magari ora, quando ognuno di noi accenderà il proprio computer, sentirà l’eco di storie meravigliose, che solo la scienza è in grado di scrivere

Marta Corno