Tutti gli esseri viventi devono obbedire alle leggi della fisica – compresa la seconda legge della termodinamica, che afferma che il disordine dell’universo, o entropia, può solo crescere. Le cellule e gli organismi altamente ordinati sembrano contraddire questo principio, ma in realtà si conformano perché generano calore che aumenta l’entropia complessiva dell’universo: Qual è la soglia teorica di quanto calore deve generare una cellula vivente per soddisfare i suoi vincoli termodinamici? E quanto si avvicinano le cellule a questo limite? In un recente articolo sul Journal of Chemical Physics, il fisico del MIT Jeremy England ha modellato matematicamente la replicazione dei batteri E. coli e ha scoperto che il processo è quasi il più efficiente possibile: L’E. coli produce al massimo solo circa sei volte più calore di quello di cui ha bisogno per soddisfare i vincoli della seconda legge della termodinamica.
“Dato ciò di cui è fatto il batterio, e data la velocità con cui cresce, quale sarebbe la quantità minima di calore che dovrebbe scaricare nell’ambiente circostante? Quando si confronta questo con la quantità di calore che sta effettivamente scaricando, sono all’incirca sulla stessa scala”, dice England, assistente professore di fisica. “L’approccio di England alla modellazione dei sistemi biologici coinvolge la meccanica statistica, che calcola le probabilità di diverse disposizioni di atomi o molecole. Si è concentrato sul processo biologico della divisione cellulare, attraverso il quale una cellula diventa due. Durante i 20 minuti del processo di replicazione, un batterio consuma una grande quantità di cibo, riorganizza molte delle sue molecole – tra cui DNA e proteine – e poi si divide in due cellule.
Per calcolare la quantità minima di calore che un batterio deve generare durante questo processo, England ha deciso di studiare la termodinamica del processo inverso – cioè, due cellule che diventano una. Questo è così improbabile che probabilmente non accadrà mai. Tuttavia, la probabilità che accada può essere stimata aggregando le probabilità di invertire tutte le reazioni più piccole che avvengono durante la replicazione.
Una delle reazioni comuni che avvengono durante la replicazione è la formazione di nuovi legami peptidici, che formano la spina dorsale delle proteine. Invertire spontaneamente questo tipo di reazione richiederebbe circa 600 anni, dice l’Inghilterra. Il numero di legami peptidici in un tipico batterio è di circa 1,6 miliardi, e la potenza termica necessaria per rompere tutti quei legami è di circa 100 miliardi di unità naturali.
“Dovrei aspettare molto tempo per vedere tutti quei legami andare in pezzi”, dice England.
Stimando il tempo di attesa necessario per osservare un’inversione spontanea della replicazione, England ha calcolato che la quantità minima di calore che un batterio deve generare mentre si divide è poco più di un sesto della quantità che una cellula di E. coli produce effettivamente durante la replicazione.
“Come fisico che cerca di contribuire allo studio della vita, trovo il suo successo estremamente incoraggiante”, dice Carl Franck, professore associato di fisica alla Cornell University. “Con eleganza, egli fornisce una visione quantitativa su un aspetto centrale della materia vivente: la replicazione. Si sta concentrando su ciò che è semplice e interessante in qualcosa di molto complicato”.
La scoperta suggerisce che i batteri potrebbero crescere drammaticamente più velocemente di quanto fanno ora e ancora obbedire alla seconda legge della termodinamica. L’Inghilterra dice che, poiché la replicazione cellulare è solo uno dei tanti compiti che l’E. coli deve svolgere, è improbabile che si evolva fino al tasso di crescita più efficiente possibile. Tuttavia, per applicazioni di biologia sintetica, può essere utile creare batteri che possono dividersi più velocemente, cosa che questo articolo mostra essere teoricamente possibile.
Il documento può anche offrire alcune prove del perché il DNA, e non l’RNA, si è evoluto come forma principale di materiale genetico, dice l’Inghilterra: Il DNA è più durevole e non rompe spontaneamente i suoi legami così facilmente come fa l’RNA. Questo significa che l’RNA può avere un vantaggio sul DNA perché può crescere più velocemente e utilizzare le risorse disponibili. Questo supporta un’ipotesi precedentemente suggerita che l’RNA potrebbe essersi evoluto per primo, prima che la vita sorgesse sulla Terra, e che il DNA sia comparso in seguito.
“Penso che sia un modo utile per cercare di ottenere un po’ più di una maniglia sui diversi tipi di forze di selezione che possono aver agito sugli acidi nucleici”, dice England.
Si sta ora utilizzando lo stesso approccio teorico per modellare come le cellule autoreplicanti si evolvono elaborando nuovi modi di adattarsi alle fluttuazioni ambientali.