Il costo (metabolico) della vita

Ci sono “costi della vita” che la fisica classica non sa calcolare. È il caso dell’energia necessaria a mantenere attivi alcuni processi biochimici specifici — come quelli che costituiscono la fotosintesi, ma gli esempi sono tantissimi — mentre se ne tengono bloccati altri alternativi. In una lettura termodinamica classica, tutto questo non contribuisce ad aumentare l’entropia del sistema e, detto in parole povere, sembra non avere un costo energetico. L’evidenza nei sistemi biologici ci mostra invece che questi costi esistono e sono anche piuttosto significativi. 

Un nuovo paper pubblicato sul Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT) propone un modo per calcolare questi costi dal punto di vista termodinamico, classificare i vari processi possibili in base al loro “prezzo” energetico e offrire così un nuovo strumento per comprendere la selezione e l’evoluzione delle vie metaboliche alla base della vita.

Quando, in un oceano antichissimo, una manciata di molecole organiche si è dotato di un confine esterno – la prima membrana cellulare – è comparsa per la prima volta una distinzione netta fra un dentro e un fuori. Da quel momento, quel sistema primordiale ha dovuto investire energia per mantenere questa compartimentazione e per selezionare, fra le molte reazioni chimiche possibili, solo alcune vie metaboliche, per sfruttare sostanze preziose prese dal “fuori” e trasformarle in altri prodotti. 

In un certo senso dunque la vita è nata con questo sforzo di compartimentazione e scelta. I processi metabolici hanno un costo energetico diretto, ma richiedono anche un “extra costo” per continuare a deviare il flusso chimico verso una via preferita invece che lasciarlo disperdere nelle alternative fisicamente possibili. Eppure dal punto di vista della fisica classica i processi di compartimentazione e di selezione delle reazioni – i “vincoli” imposti ai bordi di un sistema – non dovrebbero avere alcun costo, in quanto condizioni esterne fisse, che non contribuiscono alla produzione di entropia.

Praful Gagrani, ricercatore dell’Università di Tokyo e primo autore del nuovo paper, insieme ai suoi colleghi — Nino Lauber (Università di Vienna), Eric Smith (Georgia Institute of Technology) e Christoph Flamm (Università di Tokyo) — ha ideato un metodo per calcolare questi costi ignorati e per ordinarli. Questo permette di valutarne l’efficienza biologica, un’informazione preziosa per gli studi evolutivi che cercano di comprendere come sia emersa la vita sul nostro pianeta.

“What inspired the new work is that Eric Smith, one of the co-authors, used a software to enumerate all the possible pathways that can “build” organic molecules starting from CO₂.” Gagrani si riferisce a un precedente lavoro di Smith sul rTCA, uno dei candidati più plausibili come metabolismo primordiale della vita sulla Terra.

“Smith used an algorithm developed by Flam and Lauber to enumerate all the possible pathways that chemistry can allow for. With this software he enumerated all the pathways that can make the same conversion that rTCA does, and then he used what we now call the maintenance cost in our paper to just rank them.”

In questo modo ha mostrato che il ciclo usato dalla natura, risulta tra i percorsi a minor dissipazione, quindi con il costo energetico più basso. “Awesome, isn’t it?”, commenta Gagrani.

Ispirati dal lavoro di Smith e sfruttando il software sviluppato da Lauber e Flamm, Gagrani e colleghi hanno elaborato un metodo generale per stimare in modo sistematico i costi dei processi metabolici dal punto di vista termodinamico.

Nel loro lavoro immaginano la cellula come un sistema attraversato da un flusso costante dove, per esempio, una molecola (un nutriente) entra e un’altra (un prodotto o uno scarto) esce.

Il modello riproduce tutti i percorsi chimici possibili che permettono di trasformare l’ingresso nell’uscita. 

Ogni percorso ha un suo “costo termodinamico”. Invece di calcolare l’energia nel senso classico, il modello stima quanto sarebbe improbabile, in un mondo governato solo dalla chimica spontanea, vedere la rete (l’insieme delle molecole e delle reazioni chimiche che portano dall’input all’output) comportarsi esattamente in quel modo.

Questa improbabilità ha due componenti. La prima è il “costo di manutenzione”, cioè quanto è improbabile mantenere un flusso costante attraverso un certo percorso (l’equivalente dell’energia dissipata). La seconda è il “costo di restrizione”, che misura quanto è improbabile riuscire a bloccare tutte le reazioni alternative della rete lasciando attivo solo il percorso di interesse.

L’improbabilità calcolata rappresenta il costo di quel processo, che viene usato per classificare le vie metaboliche a seconda di quanto sia “oneroso” per la cellula mantenere attivo un percorso e spegnere gli altri.

“Abbiamo visto cose che non ci aspettavamo, ma che a pensarci bene hanno senso”, spiega Gagrani. “Per esempio, che usare più percorsi contemporaneamente è meno costoso che usarne uno solo. Faccio un’analogia: immaginiamo di avere quattro persone che devono andare da A a B attraversando dei tunnel stretti. Se hanno un tunnel ciascuno — quindi quattro tunnel — arrivano più velocemente che se i tunnel fossero tre o meno, perché due o più persone si intralcerebbero dovendo passare dallo stesso spazio ristretto.”

In natura, però, di solito osserviamo che viene privilegiato un singolo processo invece di molti. Come si spiega? “È vero, ma nei processi biologici interviene spesso la catalisi, cioè l’azione di molecole facilitanti — gli enzimi — che velocizzano le reazioni e quindi le rendono meno costose, ottenendo lo stesso effetto di avere più percorsi paralleli. Questa scelta avviene perché avere molti percorsi diversi può avere altri tipi di svantaggi, per esempio produrre molte molecole potenzialmente tossiche.”

“Il nostro metodo,” conclude Gagrani, “è uno strumento utile per lo studio della comparsa ed evoluzione della vita, perché permette di valutare i costi di scelta e di mantenimento di processi metabolici specifici. Aiuta a capire come si instaurano certe vie, ma per spiegare perché siano state selezionate proprio quelle, serve uno sforzo davvero multidisciplinare.”