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Il “batterio di Schrödinger” e il futuro della biologia quantistica

Una nuova analisi di un recente esperimento su batteri fotosintetici suggerisce che i ricercatori potrebbero essere riusciti a porne alcuni in uno stato di entanglement, mostrando per la prima volta l’effetto delle strane proprietà del mondo quantistico su esseri viventi e segnando il passaggio della biologia quantistica da ipotesi teorica a realtà tangibile

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Il mondo quantistico è strano. In teoria, e in una certa misura in pratica, i suoi principi richiedono che una particella possa apparire in due luoghi contemporaneamente – un fenomeno paradossale noto come sovrapposizione – e che due particelle possano diventare “entangled“, condividendo informazioni su distanze arbitrariamente grandi attraverso un meccanismo ancora sconosciuto.

L’esempio forse più famoso di stranezza quantistica è il gatto di Schrödinger, un esperimento ideale proposto da Erwin Schrödinger nel 1935. Il fisico austriaco immaginava che un gatto posto in una scatola insieme a una sostanza radioattiva potenzialmente letale potesse, per le strane leggi della meccanica quantistica, esistere in uno stato di sovrapposizione ed essere sia morto che vivo, almeno fino all’apertura della scatola e all’osservazione del suo contenuto.

Questo concetto è stato convalidato sperimentalmente innumerevoli volte su scale quantistiche. Alla scala del nostro mondo macroscopico apparentemente più semplice e di sicuro più intuitivo, tuttavia, le cose cambiano. Nessuno ha mai visto una stella, un pianeta o un gatto in uni stato di sovrapposizione o di entanglement quantistico.

Schrödinger

Interpretazione artistica del “gatto di Schrödinger”, che è al tempo stesso vivo e morto (© Science Photo Library RF / AGF)

 

Ma fin dalla formulazione iniziale della teoria quantistica, all’inizio del XX secolo, gli scienziati si sono chiesti dove  si incrociano esattamente i mondi microscopici e macroscopici. Quanto può essere grande il regno quantistico? E potrebbe essere abbastanza grande perché i suoi aspetti più strani influenzino profondamente e chiaramente gli esseri viventi?

Negli ultimi due decenni il campo emergente della biologia quantistica ha cercato di rispondere a queste domande, proponendo ed effettuando su organismi viventi esperimenti che potrebbero essere in grado di sondare i limiti della teoria quantistica.

Questi esperimenti hanno già dato risultati allettanti ma non conclusivi.All’inizio di quest’anno, per esempio, alcuni ricercatori hanno mostrato che il processo di fotosintesi – in cui gli organismi producono sostanze nutritizie usando la luce – può comportare alcuni effetti quantistici. Il modo in cui gli uccelli navigano o fiutano gli odori suggerisce che gli effetti quantistici possano verificarsi in modi insoliti all’interno degli esseri viventi.

Ma questi studi toccano solo la superficie del mondo quantistico. Finora, nessuno è mai riuscito a indurre un intero organismo vivente – nemmeno un batterio unicellulare – a mostrare effetti quantistici come l’ entanglement o la sovrapposizione.

Di conseguenza un nuovo articolo di un gruppo di ricercatori dell’Università di Oxford sta facendo aggrottare parecchie fronti per le sue affermazioni sulla riuscita di un esperimento di entanglement fra batteri e fotoni, particelle di luce.

Diretto dalla fisica quantistica Chiara Marletto e pubblicato a ottobre sul “Journal of Physics Communications”, lo studio è un’analisi di un esperimento condotto nel 2016 da David Coles  dell’Università di Sheffield e dai suoi colleghi.

In quell’esperimento, Coles e colleghi avevano sequestrato tra due specchi diverse centinaia di batteri verdi sulfurei, che sono fotosintetici, per poi ridurre via via la distanza tra gli specchi fino a poche centinaia di nanometri, molto meno della larghezza di un capello umano. Facendo rimbalzare della luce bianca tra gli specchi, i ricercatori speravano che le molecole fotosintetiche all’interno dei batteri si accoppiassero – o interagissero – con la cavità, il che significava essenzialmente che i batteri avrebbero continuato ad assorbire, emettere e riassorbire i fotoni che rimbalzavano. L’esperimento ha avuto successo: fino a sei batteri si sono accoppiati in quel modo.

Microfotografia di colonie filamentose del batterio fotosintetico Oscillatoria sp. cyanobacteria (SPL/AGF)

 

Marletto e colleghi sostengono però che i batteri non hanno soltanto interagito con la cavità. Nella loro analisi dimostrano che il segno energetico prodotto nell’esperimento potrebbe essere coerente con i sistemi fotosintetici di batteri entangled con la luce all’interno della cavità.

In sostanza, sembra che alcuni fotoni colpissero e mancassero contemporaneamente molecole fotosintetiche all’interno dei batteri, un segno distintivo dell’entanglement. “I nostri modelli mostrano che il fenomeno registrato è la firma di un entanglement tra la luce e certi gradi di libertà all’interno dei batteri”, dice.

Secondo il coautore dello studio Tristan Farrow, anche lui di Oxford, è la prima volta che un simile effetto è stato intravisto in un organismo vivente. “È certamente la chiave per dimostrare che siamo in qualche modo vicini all’idea di ‘batterio di Schrödinger'”, afferma. E suggerisce un altro potenziale esempio di biologia quantistica in natura: i batteri sulfurei verdi vivono nelle profondità dell’oceano dove la scarsità di luce, fonte di vita, potrebbe addirittura stimolare adattamenti evolutivi quantomeccanici per aumentare la fotosintesi.

Queste controverse affermazioni, tuttavia, vanno prese con molta cautela. In primo luogo, in questo esperimento la prova a favore dell’entanglement è circostanziale, e dipende da come si sceglie di interpretare la luce che attraversa ed esce dai batteri confinati nella cavità.

Marletto e colleghi riconoscono che i risultati dell’esperimento potrebbero essere spiegati anche da un modello classico privo di effetti quantistici. Ma, naturalmente, i fotoni non sono affatto classici: sono quantistici. Eppure, un modello “semiclassico” più realistico che usi le leggi di Newton per i batteri e quelle quantistiche per i fotoni non riesce a riprodurre il risultato reale che Coles e colleghi hanno osservato nel loro laboratorio, il che suggerisce che gli effetti quantistici fossero in atto sia nella luce che nei batteri. “La prova è un po’ indiretta, ma penso che sia così solo perché stanno cercando di essere rigorosi ed escludere cose e rivendicare troppo”, dice James Wootton, che si occupa di informatica quantistica all’IBM Zurich Research Laboratory e non è coinvolto nei due articoli.

Raffigurazione artistica di due atomi in uno stato di entanglement quantistico (© Science Photo Library RF / AGF)

 

L’altro caveat: le energie dei batteri e del fotone sono state misurate collettivamente, non in modo indipendente. Questo – secondo Simon Gröblacher della Delft University of Technology, nei Paesi Bassi, che non ha preso parte a questa ricerca – è in qualche modo un limite. “Sembra che stia accadendo qualcosa di quantistico”, dice. “Ma… di solito, se si dimostra l’entanglement, bisogna misurare i due sistemi in modo indipendente” per confermare che qualsiasi correlazione quantistica tra essi è autentica.

Nonostante queste incertezze, per molti esperti il passaggio della biologia quantistica da sogno teorico a realtà tangibile è una questione di “quando”, non di “se”.

Al di fuori dei sistemi biologici, le molecole, considerate in isolamento e collettivamente, hanno già mostrato effetti quantistici in decenni di esperimenti in laboratorio, quindi la ricerca di questi effetti per molecole simili all’interno di un batterio o addirittura del nostro stesso corpo sembrerebbe abbastanza sensata.

Negli esseri umani e in altri grandi organismi multicellulari, tuttavia, simili effetti quantistici molecolari in genere dovrebbero essere insignificanti, ma una loro manifestazione significativa all’interno di batteri, molto più piccoli, non sarebbe una sorpresa troppo sconvolgente. “Sono un po’ stupito per la sorpresa suscitata da questa scoperta”, dice Gröblacher. “Ma è ovviamente eccitante se lo si può dimostrare in un sistema biologico reale”.

Diversi gruppi, compresi quelli guidati da Gröblacher e Farrow, sperano di portare avanti queste idee.

Gröblacher ha progettato un esperimento che potrebbe mettere in uno stato di sovrapposizione un minuscolo animale acquatico, un tardigrado, cosa molto più difficile che creare un entanglement fra i batteri e la luce, dato che i tardigradi hanno dimensioni centinaia di volte maggiori.

Pur essendo grande in media un millimetro, un tardigrado ha comunque dimensioni centinaia di volte maggiori dei batteri fotosintetici (SPL/AGF)

 

Farrow sta cercando modi per migliorare l’esperimento sui batteri; l’anno prossimo lui e i suoi colleghi sperano di mettere in entanglement due batteri, e non con la luce in modo indipendente. “Gli obiettivi a lungo termine sono fondazionali e fondamentali”, dice Farrow. “Si tratta di capire la natura della realtà e se gli effetti quantistici siano utili alle funzioni biologiche. Alla radice delle cose, tutto è quantistico”, aggiunge, alludendo alla questione se gli effetti quantistici abbiano un ruolo nel funzionamento degli esseri viventi.
Potrebbe essere, per esempio, che “la selezione naturale abbia trovato il modo di sfruttare naturalmente i fenomeni quantistici”, osserva Marletto, come nel già citato esempio della fotosintesi in batteri delle profondità marine povere di luce. Ma per arrivare a fondo di tutto ciò è necessario cominciare dalle piccole dimensioni.

Le ricerche si sono costantemente orientate verso esperimenti a macrolivello, con un recente esperimento che ha coinvolto con successo milioni di atomi. Provare che le molecole che compongono gli esseri viventi mostrano effetti quantistici significativi – anche se per scopi banali – sarebbe un passo successivo fondamentale. Esplorando questo confine fra mondo quantistico e classico, gli scienziati potrebbero avvicinarsi a capire che cosa significa essere macroscopicamente quantistici, se una tale idea fosse vera.

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(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 29 ottobre 2018





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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Prime terapie sperimentali con cellule geneticamente modificate

Si tratterebbe di uno dei primissimi trial clinici con cellule modificate geneticamente ma, chiaramente, non sarebbe la prima modifica di genoma umano con CRISPR-Cas9.

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È complicato fare il proprio lavoro quando ci si trova a dover continuamente cambiare rotta per via di ostacoli piazzati sul percorso, ma ciò non vuol dire che non sia possibile raggiungere comunque traguardi importanti. Anzi, è quello che è sempre accaduto con la scienza, abituata a zigzagare tra i paletti ideologici che, neanche a dirlo, provengono principalmente dalle alte sfere religiose, ma che nonostante tutto non arresta i suoi progressi. Un esempio è quello della ricerca sulle cellule staminali, castrata in alcuni Paesi da legislazioni che impediscono di utilizzare la principale fonte di questo tipo di cellule: i pre-embrioni. In Italia il relitto della famosa legge 40 vieta esplicitamente la sperimentazione su di essi, ivi compresi quelli già prodotti e non impiantabili che non possono nemmeno essere distrutti.

Nel frattempo si studia comunque come intervenire con tecniche di ingegneria genetica per modificare il genoma nelle cellule di qualunque tipo, e molto promettente si sta rivelando il sistema di editing genetico CRISPR-Cas9 che recentemente ha iniziato a essere sperimentato anche sulle cellule umane. È di questi giorni infatti la notizia che negli Stati Uniti è partita una sperimentazione basata su CRISPR-Cas9 su 18 volontari affetti da una patologia rara, l’amaurosi congenita di Leber, caratterizzata da una mutazione genetica che può portare l’individuo alla cecità a causa di una progressiva degenerazione dei fotorecettori della retina. La sperimentazione riguarda una particolare forma di questa malattia denominata Lca10, non trattabile con l’inserimento del gene RPE65 che risulta invece efficace in altre forme.

Si tratterebbe di uno dei primissimi trial clinici con cellule modificate geneticamente ma, chiaramente, non sarebbe la prima modifica di genoma umano con CRISPR-Cas9. Da tempo, infatti, sempre negli Usa si testa l’editing genetico di cellule umane da pazienti oncologici o affetti da malattie genetiche, che naturalmente saranno i primi futuri destinatari di questo tipo di trattamenti potenzialmente risolutivo. Sempre nella speranza che vengano progressivamente abbattute quelle barriere ideologiche che facendo leva su timori per lo più non giustificati, mediante descrizione di scenari distopici con laboratori come fabbriche di cloni umani, impediscono di sfruttare tecniche che, in particolare se utilizzate su staminali, potrebbero realmente risolvere molti problemi e non solo di tipo patologico. Basti pensare alla propaganda no-Ogm, secondo cui qualunque tipo di intervento genetico sulle piante, che pure potrebbe risolvere molti dei problemi alimentari e ambientali, sarebbe eticamente sbagliato.

Intendiamoci, non è che si voglia auspicare una sorta di Far West scientifico, è chiaro che una regolamentazione è necessaria ed è altrettanto chiaro che qualunque regolamentazione sarebbe in parte influenzata da questioni etiche. Ma la situazione attuale vede una prevalenza delle questioni etiche, soprattutto ideologiche, a scapito di argomentazioni scientifiche. Nel frattempo si muore. Di malattie e anche di fame. Un video realizzato da The Guardian, solo in inglese ma sottotitolato, spiega in pochi minuti il funzionamento della tecnica CRISPR-Cas9 e spiega anche perché sarebbe un errore non proseguire nella ricerca in questo senso, pur con tutte le opportune limitazioni del caso. Perché l’ideologia applicata non cura le persone. L’ideologia religiosa è quella che le persone piuttosto le uccide, come nel caso delle minacce dei talebani in Pakistan a chi pratica le vaccinazioni anti-polio. E a chi suona musica a volume troppo alto.





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Un cuore artificiale stampato in 3D

Tessuti, valvole e un cuore di neonato in grado di contrarsi: sono i risultati ottenuti con una tecnica di stampa in 3D che usa come “inchiostro” il collagene, uno dei componenti dell’impalcatura di sostegno dei tessuti biologici

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Science Photo Library/AGF

Il sogno di avere pezzi di ricambio per gli organi umani, e in particolare per il cuore, sembra ancora più vicino. Andrew Lee della Carnegie Mellon University di Pittsburgh e colleghi hanno perfezionato le più recenti tecniche di stampa in 3D e usato come materia prima il collagene, la più importante componente della matrice extracellulare (l’impalcatura di sostegno dei tessuti biologici). Con l’aggiunta di cellule in coltura, il risultato descritto sulle pagine di “Science” – è sorprendente: tessuti e strutture che riproducono con incredibile accuratezza l’anatomia e le funzioni fondamentali del cuore umano, come la contrattilità e l’apertura e la chiusura delle valvole cardiache.

Il risultato corona alcuni anni di sforzi di ricerca e sperimentazione del gruppo di Lee, che già nel 2015 aveva presentato la prima versione di questa tecnica, denominata FRESH. Tuttavia, non era ancora stato superato uno degli ostacoli fondamentali della stampa di tessuti biologici, o bioprinting, e cioè la produzione di un materiale che sia al contempo soffice e dotato di una microstruttura molto ben definita, adatta cioè a sostenere la colonizzazione delle cellule e una rete di vasi sanguigni.

Il collagene, in particolare, è il materiale più adatto a formare l’impalcatura di sostegno per gli organi artificiali, ma è difficile controllarne la microstruttura a diverse scale dimensionali mentre si stampa.

Lee e colleghi hanno risolto il problema depositando il collagene come un normale “inchiostro” in una stampante 3D, strato per strato, all’interno di un gel, controllando la solidificazione del collagene anche alle scale più piccole, fino a 10 micron. Hanno così ottenuto una matrice con una microstruttura porosa, con canali di dimensioni fino a 30 micron di diametro, adatti all’infiltrazione delle cellule e alla vascolarizzazione della matrice.

Una delle valvole cardiache prodotte con la nuova tecnica (Carnegie Mellon University College of Engineering)


Questi ultimi due processi hanno avuto successo, sia con cellule di topo sia con cellule umane in coltura, grazie all’aggiunta di due ingredienti: la fibronectina, un’altra proteina fondamentale della matrice extracellulare naturale, e il VEGF, un potente fattore di crescita dei vasi sanguigni.

Usando cardiomiociti, le cellule che costituiscono il muscolo cardiaco, derivati da cellule staminali umane, gli autori sono poi riusciti a produrre anatomie sempre più complesse – un tessuto cardiaco, un ventricolo e infine un cuore di neonato completo – con una fedeltà notevole, documentata dalle immagini di risonanza magnetica.

Ma a stupire di più sono i risultati in termini di funzionalità del prototipo: i tessuti umani così organizzati possono contrarsi in modo sincrono, e le valvole cardiache si chiudono e si aprono.

Il metodo FRESH, in questa sua seconda versione denominata FRESH 2.0, ha dunque dimostrato la sua validità per il cuore umano, ma potrebbe essere usato per produrre tessuti di sostegno per un’ampia gamma di organi. La strada per questo obiettivo deve superare ancora diversi problemi tecnici, primo fra tutti la stampa in 3D di tessuti di grandi dimensioni, con miliardi di cellule.





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Le prime immagini del centro Ames della Nasa

In occasione dei primi 50 anni di questo luogo importantissimo per la scienza spaziale, un video storico dell’Agenzia spaziale americana

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Era il 1939 quando, in qualità di secondo polo nazionale degli Stati Uniti per la ricerca in aeronautica, nasceva il centro Ames della Nasa: un conglomerato delle più grandi e sofisticate strutture per i test di volodell’epoca.

Sono trascorsi esattamente 50 anni e, in occasione di questo anniversario importante, l’Agenzia spaziale ricorda lo sviluppo di questo luogo del cuore attraverso le voci dei suoi personaggi e le immagini originali dei primi anni di attività. Un video da non perdere per gli appassionati di storia.

(Video credit: Nasa/Ames Research Center)





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