6. Verso la chimica della complessità, 1975-2000

 

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6.0 Il periodo

Tutti gli storici sono consapevoli che storicizzare il presente comporta il pericolo costante di essere abbagliati dalle mode (parli di ciò di cui si parla) o ingannati da un effetto di prossimità (parli di ciò che conosci). Per di più si rischia di sfociare in discorsi strumentali di politica della scienza - come già segnalavo nella sezione 1.2. D'altra parte, se la questione dell'immagine della chimica, e della scienza in generale, è in sé una questione politica di grande portata democratica, questo non implica che una argomentazione a proposito della caduta di immagine diventi automaticamente un lamento o una proposta rivolti ai potenti - o presunti tali.

Nel periodo più vicino a noi abbiamo vissuto fenomeni che sul piano delle innovazioni disciplinari lo avvicinano al periodo fra le due guerre. Nascono la chimica supramolecolare e la chimica combinatoriale; con l'accesso a calcolatori sempre più potenti si afferma la chimica computazionale. La ricerca sulle strutture dissipative e l'auto-organizzazione esce dalla fase pionieristica e semiclandestina dei due decenni precedenti per avvicinarsi al centro della scena. Tutti questi sviluppi sono però messi in ombra nell'opinione più o meno pilotata del pubblico colto e non colto da un unico sovrastante tema: la questione ambientale.

6.1 Chimica supramolecolare

 

La linea di indagine che sfociò nella nuova disciplina della chimica supramolecolare ebbe un’origine perfettamente classica, affondando le sue radici nella chimica organica. Charles Pedersen, chimico della Du Pont, nel 1967 annunciò che dei poliesteri macrociclici da lui sintetizzati avevano la curiosa caratteristica di potersi complessare con ioni sodio e potassio, una proprietà dovuta alla loro non meno curiosa ‘forma’ a corona. L'articolo di Pedersen fu definito blockbuster, una bomba. Il valore conoscitivo di questa  scoperta venne subito reso più intenso dall’entrata nel nuovo campo del francese Jean-Marie Lehn, un chimico organico fisico che allora era interessato principalmente ai meccanismi di trasporto degli ioni alcalini connessi con i segnali trasmessi nel sistema nervoso. Le ricerche del gruppo di Lehn iniziarono subito, nel 1967, e con la sintesi di nuove strutture tridimensionali già nel 1969 ottenevano il ‘sequestro’ degli ioni con la formazione di ‘criptati’. Un secondo gruppo, diretto da Donald Cram, ebbe una falsa partenza, utilizzando i composti di Pedersen come varianti nelle loro consuete ricerche di chimica organica fisica, ma nel 1973 cominciò a pubblicare un fiume di lavori su ciò che fu battezzata host-guest chemistry.

Lehn nutrì fin dall'inizio l’intenzione di comprendere meglio gli eventi fisiologici costruendo molecole modello che presentassero le stesse caratteristiche dei sistemi naturali, ma nella seconda metà degli anni ’70 lo scienziato francese estese le ricerche sperimentali e le interpretazioni teoriche fino a creare, e a definire, l’ambito della chimica supramolecolare come quello in cui sono studiati e (ri)prodotti i processi mediante i quali entità di complessità maggiore risultano da molecole meno complesse a causa dall’azione di forze intermolecolari. Si schiudeva anche da questo punto di vista classico tutto l’orizzonte dell’auto-organizzazione molecolare, con (almeno) due finalità  ben visibili: la mimesi di sistemi biologici (viventi, se interviene l’autocatalisi) e la costruzione di vere macchine molecolari, adatte, ad esempio, al calcolo digitale. Fra le linee di ricerca più attive cito: il riconoscimento molecolare; nel campo dell'auto-replicazione quella di oligonucleotidi e di micelle; nel settore dell'auto-organizzazione, l'ottenimento di mesofasi tubulari, recettori fotosensibili, interruttori

Davanti al pubblico mondiale dei chimici, nel Congresso della IUPAC di Tokyo, Lehn propose il termine con cui correntemente designano la nuova disciplina: chimica supramolecolare.

Concludo sull'argomento accennando alla competizione in atto nel campo delle nanotecnologie. I fisici si sono trovati un 'santo protettore' di prestigio, e fanno risalire l'ispirazione per la ricerca in questo settore ad una conferenza di Richard Feynman, tenuta nel 1960, in cui il grande fisico affermò: there's plenty of room at the bottom. Nel 1995 Jean-Marie Lehn, facendosi interprete del carattere costruttivo della chimica, rispose a Feynman con una frase altrettanto efficace: there's even more room at the top.

6.2 Chimica combinatoriale

 

Un esempio di creatività e interdisciplinarietà si trova nelle origini stesse di una seconda, nuova disciplina, la chimica combinatoriale. Per prima cosa va menzionato che molte delle pratiche di laboratorio tipiche della chimica combinatoriale hanno alla loro base la tecnica di sintesi di peptidi in fase solida proposta nel 1963 da R. B. Merrifield. Un altro evento nodale risale al 1982, quando due diversi gruppi di ricercatori americani resero noto che si potevano utilizzare oligonucleotidi introdotti in vettori opportuni come metodo generale per produrre mutazioni puntuali nel DNA, e quindi per poter studiare i mutanti che ne risultavano. Negli anni successivi, fra il 1983 e il 1988, si ottennero intere collezioni o ‘librerie’ di cloni mutanti inserendo sequenze puramente casuali di nucleotidi nei loci del DNA obbiettivi della ricerca. Tecniche meramente chimiche furono proposte durante incontri internazionali a Praga e a Budapest dall'ungherese Árpad Furka nel 1988, e pubblicate da tre distinti gruppi (fra cui quello diretto da Furka) nel 1991. Come monito per tutti gli innovatori Furka ha raccontato le difficoltà incontrate nella pubblicazione del suo primo articolo. Nel 1990 un referee dell’ International Journal of Peptide and Protein Research concluse la sua valutazione negativa con questo giudizio: My overall view is that the content of the paper is not immediatly useful nor is especially original. I recommend rejection.

Le tecniche della chimica combinatoriale permettono di sintetizzare rapidamente composti distinti in numero variabile dalle centinaia alle decine di migliaia, basandosi, ad esempio, sulla formazione di sequenze diverse di amminoacidi. Lo sconvolgimento operato da queste procedure nell’assetto epistemologico della chimica organica è tale che alcuni autori hanno parlato esplicitamente di ‘inversione intellettuale’ rispetto ai precedenti decenni di sintesi organiche, dominati dallo stile ricco di immaginazione, incisivo e preciso di Woodward, in quanto lo scopo della chimica combinatoriale è quello di poter studiare intere popolazioni di strutture molecolari, e non singole (complesse) strutture.

         Il fiorire della chimica combinatoriale è dovuto in buona parte all’interesse mostrato dall’industria farmaceutica, che con essa vede aprirsi la possibilità di individuare con spesa contenuta, e in breve tempo, composti biologicamente attivi.

6.3 Strutture dissipative e auto-organizzazione

La chimica supramolecolare è una delle linee di ricerca che, nel loro intreccio complicato, puntano alla produzione di ‘macchine’ molecolari e alla sintesi chimica di entità viventi. Gli obbiettivi sono straordinari, ma coerenti con l’epistemologia della chimica, mentre i metodi sono così innovativi da permettermi di chiudere l’analisi storica dello sviluppo disciplinare richiamando quel gioco dialettico fra novità e tradizione che è uno dei ‘motori’ della scienza. La parola chiave di questa versione del gioco è auto-organizzazione.

         Sul piano sperimentale la scoperta di reazioni oscillanti, e la loro interpretazione sulla base di processi autocatalitici risale agli anni ‘20, ma solo con la reazione di Belousov e Zhabotinski l’auto-organizzazione nel tempo e nello spazio di particolari sistemi reagenti divenne un tema accettato di ricerca. Il chimico sovietico Boris Belousov scoprì la reazione che porta il suo nome mentre cercava di riprodurre in provetta un insieme di reazioni che avesse qualche analogia con il ciclo di Krebs. La storia dettagliata dei tentativi di Belousov, sempre frustrati, di pubblicare i suoi risultati (dal 1951 al 1957) entrerà a far parte della leggenda (negativa) della chimica; maggiore fortuna ebbe il biofisico Anatol Zhabotinsky che rese nota la reazione nel 1964. Nel frattempo (1952) Alan Turing aveva pubblicato un articolo seminale dal titolo estremamente significativo: “La base chimica della morfogenesi”, in cui discuteva in dettaglio gli effetti di meccanismi autocatalitici; inoltre, su un piano più generale, diversi gruppi di ricercatori, fra cui spiccava quello diretto da Ilya Prigogine, avevano (finalmente) fatto progredire la termodinamica dei processi irreversibili (gli unici esistenti nella realtà fisica!). Nel 1967 Prigogine e Nicolis proposero il concetto di struttura dissipativa, e avendo dimostrato la relazione fra organizzazione e dissipazione ne sottolinearono la possibile rilevanza rispetto ai “primi passi biogenetici”.

Attualmente la chimica che studia l’origine dell’ordine a partire dal caos molecolare è un campo attivissimo di ricerca. Nel 1990 i principali temi trattati sulle dinamiche non lineari riguardavano: propagazione di onde e strutture spaziali; oscillazioni in sistemi eterogenei; oscillazioni biologiche; patterns geochimici; proposta e discussione di sistemi modello. Anche questo semplice elenco dimostra la pervasività transdisciplinare delle procedure conoscitive della chimica.

 Segue