Breve storia della cromatografia
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Introduzione
Nell'impostare questo volume ho cercato di dare un certo rilievo a quanto i chimici sono stati in grado di fare, per sottolineare la necessità di staccarsi da un'interpretazione della scienza (ormai obsoleta) che considera quasi esclusivamente lo sviluppo delle idee, quasi che siano state solo queste a cambiare il mondo. Il capitolo precedente, dedicato alla fissazione dell'azoto, ha visto l'interazione fra la ricerca chimica e la grande industria, nonché con la grande politica. In questo terzo capitolo racconterò alcune tappe dello sviluppo della cromatografia, una tecnica di laboratorio, eminentemente chimica, che ha permesso progressi incredibili in diversi campi, primo fra tutti quello biochimico.
Da anni ho in progetto - e in lenta maturazione - un libro che dimostri la vera rivoluzione che le diverse cromatografie hanno imposto nelle concezioni di biologi e medici sulla diversità intraspecifica, sulla genetica delle popolazioni, sull'immunologia, per citare solo tre aree di intervento. La stessa evoluzione molecolare è stata concepibile solamente sulla base delle sequenze proteiche determinate mediante cromatografia. Una tesi della ricerca, che spero di essere in grado di dimostrare pienamente, è che la biologia molecolare per un paio di decenni non è stata altro che biochimica travestita, e agghindata con tecniche fisiche come il microscopio elettronico e la difrattometria con i raggi x. A mio parere (epistemologico) la biologia molecolare è diventata tale solo con la manipolazione genetica, quando si sono utilizzate entità viventi per modificare molecole, e non viceversa.
Molto al di là delle congetture storico-critiche si pone comunque la storia che mi accingo a raccontare, in quanto i fatti di cui sono stati protagonisti di prima grandezza Archie Martin e Frederick Sanger stabilirono vere fondamenta su cui allievi e competitori hanno poi costruito intere città della scienza.
Concludo, per un eventuale lettore distratto, con un richiamo al carattere epistemologicamente complesso, ricchissimo, delle procedure cromatografiche. In estrema sintesi le tecniche si basano sulla fenomenologia chimico-fisica dell'adsorbimento; di per se si tratta di tecniche analitiche che possono permettere deduzioni strutturali di estrema importanza biologica e medica. Il basso costo di molte di queste procedure completa un assetto conoscitivo che è forse senza pari nelle scienze contemporanee, tutte ideologicamente protese verso il modello della big science, inaugurato dagli scienziati atomici del progetto Manhattan.
Alle
origini della cromatografia
Verso la fine del '700 il carbone di legna
era utilizzato per chiarificare le soluzioni zuccherine nella nascente industria
saccarifera; ancor prima nelle grandi tintorie i tecnici si saggiava la qualità
di un bagno di colorante ponendo una goccia di soluzione su un pezzo di carta o
su un panno, e osservando i cerchi concentrici formati dai componenti del
colorante, man mano che il solvente progrediva per capillarità. In entrambi i
casi - come sappiamo - si faceva affidamento sui fenomeni di adsorbimento, e
nel caso dell'industria tintoria il procedimento era esplicitamente analitico.
Fu tuttavia negli anni 1930 che la cromatografia cominciò ad affermarsi come
tecnica ausiliaria in chimica organica, e solo nel decennio successivo se ne
intraprese uno studio veramente approfondito. In questa sezione seguirò le
vicende della cromatografia fra il 1900 e il 1930, mentre tratterò nelle
prossime i contributi di Martin e Synge e gli ulteriori, impetuosi sviluppi
delle tecniche cromatografiche.
La cromatografia divenne un'importante
tecnica di indagine attraverso l'interazione fra i lavori di un botanico russo,
quasi sconosciuto, ed una scuola tedesca di chimica organica, fra le più
fertili del nostro secolo. Come molti lettori sapranno il botanico si chiamò
Michail Semenovich Tswett (1872-1919), e la scuola fiorì sotto il nome
prestigioso di Richard Willstätter (1872-1942).
Tswett venne alla luce in un albergo della
nostra Asti, da madre italiana e da padre russo, probabilmente un oppositore
del regime zarista. L'incerta situazione familiare non impedì che Tswett
compisse studi regolari a Ginevra. Dai primi anni del secolo fino al 1915
lavorò in varie sedi universitarie di Varsavia (allora sotto il dominio russo),
ma l'avvicinarsi delle truppe tedesche lo spinse sempre più ad est: nel 1917
dovette lasciare anche la successiva cattedra a Tartu, in Estonia. Morì a 47
anni, a Voronezh, professore di una nuova Università fondata dai Soviet. Se le
vicende degli ultimi anni della sua vita furono lo specchio del dramma che
coinvolgeva tutta l'Europa, Twsett era comunque uno spirito inquieto e mobile,
in quanto rimangono tracce di suoi soggiorni - spesso con collaborazioni
scientifiche - in università tedesche, olandesi, belghe e francesi. Questa
'mobilità', che va 'sommata' alla partecipazione a numerosi congressi della
Società tedesca di botanica, è per noi significativa perchè indica che le idee
di Twsett ebbero comunque una certa diffusione 'sul campo'. La vita scientifica
del nostro botanico fu tutta imperniata sullo studio dei pigmenti vegetali, e
sarebbe forse trascorsa senza 'incidenti' interessanti per la storia della
chimica se Twsett non avesse ottenuto a Ginevra un'eccellente preparazione
chimico-fisica. Il problema che fece scattare il suo interesse verso i fenomeni
di adsorbimento fu il fatto che in generale i pigmenti dei cloroplasti non
possono essere estratti da solventi non polari, mentre una volta estratti
risultano solubili in benzene o ligroina. Twsett ipotizzò che i pigmenti
fossero adsorbiti su certi organelli dei cloroplasti, e per verificare la sua
congettura cominciò a studiare il comportamento di misture di pigmenti su vari
substrati artificiali. Ben presto si accorse di avere a disposizione una
tecnica efficacissima per separare i diversi componenti di miscele altrimenti
intrattabili, ma agli occhi dei chimici organici le sue procedure di
cromatografia su colonna apparvero subito troppo 'qualitative' per interessare
scienziati impegnati nell'indagare la struttura di sostanze naturali che - dati
i metodi analitici in uso - dovevano essere ottenuti in notevoli quantità.
Twsett dovette sostenere diverse polemiche, proprio perchè rarissimamente era
in grado di confortare anche solo con analisi elementari le sue indicazioni
qualitative. Eppure l'enorme valore
conoscitivo della qualità risaltò a
pieno nello scontro più importante della carriera del botanico russo, quello con
il grande Willstätter a proposito della clorofilla.
Già nel 1901 Tswett aveva dichiarato che la
cosiddetta 'clorofilla cristallizzabile' era in realtà la miscela di due
composti diversi (quelli che ora noi conosciamo come clorofilla a e b).
Willstätter aveva isolato da più di duecento diverse specie di piante sempre la
stessa clorofilla, e fino al 1908 sostenne esplicitamente che essa era
costituita da un unico pigmento; l'assunzione contraria avvenne solo nel 1912,
ma nel frattempo (1910) era apparsa un'importante opera di Tswett, intitolata
"Cromofille dei regni vegetale e animale", in cui erano descritte
dettagliatamente sia le tecniche sperimentali, sia le conclusioni teoriche del
botanico di Varsavia. Il chimico tedesco dimostrò che la clorofilla a
aveva formula C55H72O5N4Mg, che la
clorofilla b era una forma ossidata
della precedente con formula C55H70O5N4Mg,
e che le due forme avevano uno diverso spettro. Willstätter aveva usato
magistralmente le tecniche classiche della chimica organica, senza ricorrere in
nessun modo, 'ufficialmente' e in questa fase, all'uso della cromatografia. In
effetti si era fatto tradurre per uso privato il libro di Twsett, e nella
monografia pubblicata a Berlino insieme ad A.Stoll (1913) trattò l'impiego di
procedure identiche a quelle dello scienziato russo, ma ne criticò l'efficacia
conoscitiva per il pericolo di cambiamenti di struttura durante la separazione
(pericolo già messo in luce da Twsett).
Non c'è dubbio che il grande successo 'classico' di Willstätter mise in ombra il contributo di Twsett, ridotto a curiosità tecnica, di esito incerto. Tuttavia la 'traduzione privata' dell'opera di Twsett doveva svolgere il suo ruolo più importante parecchi anni dopo, nelle mani del viennese Edgard Lederer. Nel settembre del 1930, ad appena 22 anni, Lederer era giunto per il suo lavoro di postdottorato ad Heidelberg, nel laboratorio diretto da Richard Kuhn (1900-1967), l'allievo prediletto di Willstätter. Il giovane austriaco, che doveva affrontare i problemi posti dalle proprietà del pigmento della carota (ritenuto omogeneo) e dei composti ad esso connessi, fu messo sulla strada giusta dalla lettura di un libro sui carotenoidi dell'americano L.S. Palmer, edito nel 1922, dove si faceva riferimento al volume di Twsett. Lederer chiese a Kuhn informazioni su Twsett, e - sorprendentemente - venne in possesso della 'traduzione privata', che era già passata dalle mani di Willstätter a quelle del suo erede scientifico. Nel dicembre del 1930 il chimico viennese applicò le procedure di Twsett sul colorante del rosso d'uovo e dimostrò che era costituito da una mistura di carotenoidi ossigenati, e nella primavera successiva pubblicò insieme a Kuhn e a Winterstein diversi lavori in cui era descritta una tecnica preparativa che impiegava colonne di carbonato di calcio. Le fotografie di bellissimi cristalli di - e ß-carotene sanzionavano il valore conoscitivo della cromatografia.
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