Più aumentano le capacità dei microscopi a scansione elettronica, e più ci rendiamo conto di quanto piccola può essere la vita. Ad ogni nuovo progresso, le tecnologie della “visione artificiale” ci spalancano nuove porte. Aldous Huxley le chiamava “porte della percezione”, riferendosi ai suoi esperimenti con la mescalina che ha descritto nell'omonimo saggio che ha ispirato Jim Morrison nello scegliere il nome da dare al suo gruppo di “artisti psichedelici”. Così come la sostanza psicotropa usata da Huxley, la tecnologia è in grado di svelare nuovi mondi, nuove dimensioni, nuovi stati di coscienza. Con la differenza che oggi queste visioni, un tempo riservate agli sciamani, agli stregoni, ai maghi, ai poeti e agli artisti, sono a disposizione delle masse, visibili a tutti sullo schermo di un computer. Con l'improvvisa comparsa dei “nanoorganismi”, siamo di fatto partiti per un nuovo "viaggio allucinante": nel regno della “nanosfera”.

ROBERT FOLK, I TRAVERTINI ROMANI E LE TERME DI VITERBO

Nel mondo microbiologico, le forme più minute sono definite comunemente “ultramicrobatteri”, considerate come residui delle “forme superiori”, rare e latenti. Sebbene siano abbondanti nel suolo, nei sedimenti, in rocce e minerali e rappresentino una forma di vita intermedia tra i normali batteri e i virus, che misurano dai 0.01 ai 0.02 micrometri (un micrometro è un miliardesimo di un metro). Oggi, quando gli scienziati si riferiscono al “nanocosmo”, parlano di “nanostrutture” inferiori a 100 nanometri, o a 0.1 micrometri (per cercare di rendere l'idea, un capello umano ha un diametro di circa 100 micrometri, quindi è mille volte più grande di una nanostruttura).

La parola “nanobacteria” è stata introdotta ufficialmente nel mondo accademico nel 1988 dal ricercatore Richard Y. Morita. Ma la scoperta dei primi “nanoorganismi” è stata compiuta nel 1987 dal geologo Robert Folk, della University of Texas di Austin. Folk si trovava in Italia per studiare i travertini romani, un calcare biancastro poroso che si forma presso laghi, fiumi, e sorgenti termali, usato dai romani per circa 2000 anni come materiale per le proprie costruzioni. Insieme al Prof. Henry S. Chafetz della University of Houston, Folk studiava il travertino dal 1979. Nel corso delle sue ricerche, ha scoperto che i batteri di taglia “normale”, soprattutto di tipo solforo-ossidi, hanno giocato un ruolo sostanziale nella condensazione della pietra dalle calde acque termali di Tivoli. Nel 1988, Folk è tornato in Italia per studiare la formazione dei travertini nelle sorgenti termali di Bullicame, nei pressi di Viterbo.

Un particolare curioso: la leggenda attribuisce la creazione di queste sorgenti all'opera di Ercole che con la sua lancia conficcata nella terra avrebbe liberato queste miracolose polle solfuree sgorganti da una “montagna sacra” di color bianco (per l'accumulo di concrezioni calcaree). Il Bullicame è stato descritto anche da Dante nel suo “Canto dell'Inferno”. Chissà se Folk ne era al corrente.

Fatto stà che Folk torna in Italia più agguerrito che mai, dotato di un potente microscopio a scansione elettronica, capace di uno “sguardo” più approfondito della materia in questione, simile ai moderni SEMs (Scanning Electron Microscopes). Mentre, nel frattempo, l'evoluzione degli studi microbiologici aveva decretato ufficialmente l'esistenza degli ultramicrobatteri. Folk si spinge oltre, scoprendo l'esistenza di nanoorganismi intombati in cristalli di calcite e aragonite, come arachidi nel proprio guscio. Folk osserva nei “mitici” travertini termali di Viterbo dei “nanobatteri” di circa 100 nanometri. Dopo ulteriori ricerche, rende pubblica la sua scoperta al meeting annuale della Geological Society of America del 1992. L'annuncio provoca una reazione a catena. Altri nanobatteri vengono alla luce sulle Dolomiti da pietre calcaree vecchie 2 miliardi di anni. Si comincia a considerarli come elementi chiave nella produzione di complessi minerali argillosi, nell'arruginimento del ferro, nell' “inverdimento” del rame, e nella solubilizzazione dell'alluminio, e si ipotizza un loro coinvolgimento nella formazione del guscio delle vongole, dei crotacei foraminiferi, e perfino dell'uovo.

Ma allora, se i nanobatteri sono così abbondanti in natura, come mai sono stati scoperti così in ritardo? Il motivo principale è che nessuno ne aveva sospettato l'esistenza, dato che prima di scoprire qualcosa è necessario immaginarlo (teoria delle forme di Platone). Inoltre, dettaglio tecnico, non esistevano ancora gli strumenti necessari per poter “vedere” ciò che si poteva solo immaginare. Il “massimo del minimo” visibile attraverso i microscopi ottici per molto tempo è stato di circa 0.2 micrometri, almeno era quanto aveva stabilito paradigmaticamente la comunità scientifica internazionale; ogni volta che si osservava qualcosa "al di sotto" si tendeva ad ignorarlo. Dopo l'improvvisa comparsa dei nanobatteri, qualcuno ha anche avanzato l'ipotesi che fossero la “materia oscura” del bio-universo.

QUANTO PICCOLA PUO' ESSERE LA VITA?

Galvanizzato dalla scoperta della nanosfera, un ricercatore della NASA, Chris Romanek, si mette alla ricerca di nanoorganismi nel meteorite marziano ALH84001. Nel 1996, la notizia della scoperta all'interno del meteorite di nanobatteri di natura “aliena” provocò grande scalpore infuocando il dibattito esobiologico sulla possibile presenza di vita primordiale sul Pianeta Rosso. Nel tardo 1998, su pressioni della NASA, il National Research Council della National Academy of Sciences pubblica un rapporto dal titolo “Size Limits of Very Small Microorganisms”, cercando di stabilire un nuovo paradigma per la definizione di vita organica nel mondo dell'”infinitamente piccolo”.

Un organismo in grado di vivere e auto-riprodursi, necessita di un certo “equipaggiamento”. Ad esempio, un singolo ribosoma, una specie di minuscola “fabbrica” usata dalle cellule per “produrre” proteine, è grande circa 25-30 nanometri. Una tipica cellula moderna, può contenere qualche centinaia di migliaia di ribosomi.

Basandosi su questi dati, i 18 esperti che hanno steso il rapporto, hanno stabilito che la nuova misura limite della vita micro-organica dovesse essere di 200 nanometri. Tutto ciò che scende sotto questa soglia, non può (e non deve) essere considerato “vita”, almeno così come la conosciamo. Andrew Knoll, paleobiologo alla Harvard University, membro del NASA Astrobiology Institute, uno dei 18 esperti, ha dichiarato: “È molto probabile che siano esistite forme primordiali di vita micro-organica del diametro di 50 nanometri, ma il problema è distinguere tra cellule con una struttura biochimica a noi familiare e cellule primitive che non abbiamo mai osservato in precedenza”.

Folk ha mostrato un forte scetticismo riguardo le conclusioni del rapporto. Secondo lui, le nanostrutture batteriche, che misurano in media dai 50 ai 100 nanometri, sono assolutamente da considerare forme di vita, non importa quanto piccole esse siano: “Il limite adottato di 200 nanometri si basa sul fatto che micro-strutture molecolari debbano essere abbastanza grandi da contenere una molecola di DNA o RNA, e i ribosomi necessari al metabolismo”, dice Folk, “ma è un limite puramente arbitrario. Ricordiamoci che prima di Pasteur si ignorava perfino l'esistenza dei germi, e prima del 1890 si ignoravano anche i virus”. Secondo Folk, i fossili nanobatterici rinvenuti sul meteorite marziano sono la prova di una vita organica primitiva sconosciuta. È convinto che altre tracce di simili forme di vita siano presenti anche sul meteorite marziano Dhofar 019, scoperto nel 2000 nel deserto dell'Oman, così come nelle condriti carbonacce non-marziane di Allende e Murchison. Il problema, per Folk, non è tanto nelle ultra-ridotte dimensioni di queste strutture, quanto piuttosto nell'impossibilità di definirne la specificità organica: “Il problema è che non ne conosciamo le reali proprietà biologiche, ma non per questo possiamo definirle come non-vita”.

Circa 4 anni fa, scienziati della University of Queensland scoprirono dei nanobatteri in antiche pietre arenarie australiane. Sebbene alcune di queste strutture misurassero circa 20 nanometri, si presentavano come un groviglio indistinto di filamenti fungosi. Posti in delle capsule di Petri e esposti ad ossigeno alla temperatura di 22 gradi Celsius, cominciarono a riprodursi molto velocemente formando dense colonie di viticci (a forma di ramo di vite) che mostrarono ripetutamente segni di DNA. Secondo Philippa J.R. Uwins, a capo del team, tutti i nanobatteri scoperti presentavano caratteristiche enzimatiche e genetiche considerate essenziali per la vita biologica. Ulteriore conferma, per Folk, che la vita può svilupparsi a qualsiasi dimensione.

NANOSYSTEM

Si deve all'americano Eric Drexler, fondatore del Foresight Institute, ex ricercatore del MIT, la paternità del termine “nanotecnologia” (“Nanosystem”, 1982). Drexler era già arrivato ad immaginare schiere di minuscoli “nanobots”, robot in grado di costruire in poche ore oggetti complessi e costosi come aerei e automobili, microsonde che navigano nel flusso sanguigno per compiervi analisi e nanomacchine che riparano i denti in maniera completamente indolore. Finanche a costruire copie di sé stessi, come i “costruttori universali” di Von Neumann.

Nel 1989, presso i laboratori dell'Almaden Research Center di San José in California, il fisico Dan Eigler perfeziona il microscopio elettronico a effetto tunnel. Grazie al suo STM modificato, per la prima volta non solo gli atomi si possono osservare ma si possono anche spostare. Eigler dimostrò il funzionamento del suo strumento depositando alcuni atomi di xenon su uno strato di nichel. Ma non in modo casuale: essi, infatti, formano la scritta IBM. Si realizza la visione di Richard Feynmann.

VISIONI ARTIFICIALI

Per oltre 2000 anni, i dotti, non abbastanza ignoranti, hanno litigato sull'esistenza degli atomi. Finché, un giorno, non li hanno potuti “vedere” direttamente attraverso il microscopio elettronico a effetto tunnel creato dai fisici Gerd Binning e Heinrich Rohrer. Oggi è impensabile che si possa fare a meno di questa meravigliosa “tecnologia psichedelica” che dischiude visioni sempre nuove nel mondo dell' infinitamente piccolo, e nello stesso tempo ci conduce, letteralmente, “fuori di testa”.

Ma come funzionano?

La chiave di tutto è un sottile ago metallico, con cui si “tasta” la superficie da osservare, collegato ad una serie di diversi microscopi a scansione elettronica (SEM), a seconda del processo fisico che si sfrutta nell'interazione punta-superficie, collegati a loro vota ad un computer.

Il microscopio elettronico a effetto tunnel viene attraversato da una corrente debole la cui variazione di forza permette di definire la forma della superficie. Ciò avviene senza che la punta entri in contatto con la superficie proprio grazie all' “effetto tunnel”, di natura quantistica, ovvero la capacità di un elettrone di superare una barriera dielettrica (l'aria, il vuoto o un liquido anche debolmente conduttore) anche quando la sua energia è più piccola della barriera stessa. Il principale limite di questo microscopio con sonda di scansione elettronica è che il campione da esaminare deve essere un conduttore elettrico.

Per studiare campioni che non sono conduttori, si possono sfruttare altri tipi di interazione come ad esempio la forza atomica. L'uso integrato di microscopi ad effetto tunnel (STM) e a forza atomica (AFM) ha reso possibile osservare e manipolare sistemi su scala atomica. Più recentemente si sono aggiunti anche il microscopio misuratore di forze (RKM), che misura le varie forze di attrito tra la punta e la superficie, il microscopio misuratore di capacità, che misura le forze elettrostatiche della superficie, e il microscopio a campo magnetico, che misura l'energia elettromagnetica. Mediante un sofisticato sistema di controllo e micromovimentazione, e grazie alla lettura tramite computer delle grandezze fisiche legate all'interazione punta-superficie, è possibile ricostruire via software un'immagine topografica (anche tridimensionale) della superficie su cui la punta ha effettuato la scansione.

Le possibilità applicative di questi sistemi integrati a scansione elettronica sono molteplici: si possono esaminare materiali immersi in liquidi, globuli rossi e bianchi, enzimi e anticorpi. Si possono afferrare e spostare, come con una pinzetta, singoli atomi e singole cellule. I biologi, per esempio, possono manipolare parti integranti dei cromosomi. Si può cioè osservare e modificare artificialmente la materia a dimensioni ridottissime.

Sono questi gli strumenti che hanno rivoluzionato le tecniche di ingegneria genetica (ogm), di ingegneria elettronica (microchips), ingegneria molecolare (designer drugs) e hanno aperto la strada alla nanobiotecnologia. Ad esempio, è stato realizzato il più piccolo transistor al mondo che misura circa 200 nanometri. Anche se ancora non si sà bene come costruire, ma soprattutto controllare, un nanocomputer, una nanomacchina o un nanorobot.

Le applicazioni più pratiche investono il campo della chimica combinatoria, utilizzata industrialmente per lo sviluppo delle “designer drugs” solo dal 1998. Mediante l'uso congiunto dei microscopi a scansione elettronica con sistemi completamente automatizzati si possono testare giornalmente alcune migliaia di composti - 10 volte tanti che con i processi convenzionali. Sebbene sul mercato non ci sono ancora, almeno ufficialmente, sostanze attive ricavate da questo tipo di sintesi combinatorie, molte vengono già testate clinicamente, ad esempio vari prototipi di “sangue artificiale”.

Oltre a ciò, i ricercatori sperano di trovare tramite questi metodi ricombinatori anche nuovi principi terapeutici, magari arrivando a comprendere i compiti specifici dei vari geni che nel frattempo vengono “scoperti” senza sosta dai sequenziatori genetici, e, ovviamente, subito brevettati.

La chimica combinatoria può inoltre condurre anche alla “scoperta” di nuovi materiali. Questo perché ciò che finora era limitato essenzialmente a sintesi tra carbonio, idrogeno e ossigeno, è ormai stato esteso anche a tutti gli altri elementi del sistema periodico di Mendeleyev. Ad esempio, una ditta americana ha “ottimizzato” molecole di fosforo rosso e blu per l'illuminazione degli schermi piatti. Diversi nuovi materiali nati nei laboratori di ricerca DuPont sono già utilizzati in telefoni cellulari, pannelli con display al plasma, PDA, video camcorder, computer e camere digitali. In ognuna delle due sonde, Spirit e Opportunity, che in questo momento si trovano su Marte, si utilizzano 64 metri di circuiti flessibili realizzati con sottili laminati compositi Pyralux(R) che offrono una riduzione di ingombro tra il 60 e il 70%. Mentre ricercatori dell'azienda canadese Nexia Biotechnologies, modificando geneticamente le cellule delle ghiandole mammarie di una mucca e introducendo in esse il gene del ragno che produce la proteina necessaria alla fabbricazione della sua nota tela, sono riusciti a ottenere una fibra superresistente. In un prossimo futuro contano di commercializzare il prodotto su grande scala utilizzando delle capre GM.

P.S.

Personalmente mi diverte molto il fatto che a innestare questo processo tecno-apocalittico siano state le terme di Viterbo dove mi è capitato di andare a bagnarmi, così come fanno tradizionalmente molti romani, senza aver mai nemmeno lontanamente immaginato di essere in compagnia di brulicanti forme di vita aliena, che magari a mia insaputa si sono intrufolate nel mio organismo, fino a penetrarmi nel cervello, e magari è proprio sotto il loro comando più che della mia falsa coscienza che in questo momento stò scrivendo queste righe apparentemente deliranti. Se veramente l'invasione dei nanocorpi è già cominciata, bè, speriamo almeno che abbiano almeno un pò di buon nanosenso, perché gli umani se lo sò bevuto...

E-mail: Alessio Mannucci