Oggi è sufficiente prendere in mano il proprio smartphone o fissare una televisione per osservare dei cristalli liquidi. Le proprietà di questi materiali sono infatti perfette per produrre display con colori brillanti e rapidi tempi di risposta.

Ma cosa contraddistingue un cristallo liquido da un convenzionale liquido e da un cristallo?

Come il nome stesso suggerisce, il cristallo liquido è uno stato della materia che esibisce delle proprietà intermedie tra liquido e cristallo: può fluire come il primo ma le sue molecole non sono del tutto “disordinate”. In un cristallo liquido, come in un cristallo, esiste un certo grado di ordine che può essere osservato e che si riflette in peculiari proprietà ottiche, come la birifrangenza: la capacità di modificare la velocità della luce a seconda del suo stato di polarizzazione.

Quali sono le sostanze che possono formare cristalli liquidi e come possiamo studiarle?

Molti materiali sono in grado di assumere questo stato della materia: alcuni sono liquidi puri di molecole complesse (come nei display) o molecole disciolte in acqua. Di quest’ultima classe fa parte ad esempio il colorante alimentare Sunset Yellow, che conferisce il famoso colorito arancione all’Aperol Spritz e a molte altre bevande di uso comune. Sciogliendone un pizzico in acqua ed osservandolo in microscopia con luce polarizzata, ovvero selezionando solo un piano di propagazione della luce, si può facilmente determinare se si ha a che fare con un liquido isotropo (un fluido convenzionale) poiché questo non influenzerà la polarizzazione della luce trasmessa, oppure se è birifrangente, e pertanto renderà circolare la polarizzazione della luce trasmessa (vedi inserto in figura).

Una grande sorpresa è stata quella di scoprire che anche il DNA e l’RNA possono organizzarsi come cristallo liquido. Questa osservazione comporta alcune implicazioni interessanti: vedere dei pattern birifrangenti tramite microscopia ottica polarizzata in un campione di acido nucleico rivela che le celeberrime doppie eliche, troppo minute per interagire con la luce ed essere quindi viste da un microscopio ottico, si stanno assemblando spontaneamente formando strutture di grandi dimensioni, e che queste strutture si stanno a loro volta organizzando nello spazio in maniera ordinata, senza perdere la loro capacità di fluire.

Gli ingredienti necessari affinché questo accada sono (1) concentrazione alta del DNA o RNA in soluzione e (2) interazione attrattiva tra i terminali delle molecole.

Questa proprietà inaspettata degli acidi nucleici ci ha spinti ad interrogarci sul loro possibile ruolo a livello biologico. Mentre è difficile trovare il posto adeguato in un essere vivente per sfruttare questo peculiare stato della materia, l’ordine che caratterizza il cristallo liquido si combina bene con l’ipotesi del “mondo a RNA” e potrebbe risolvere un quesito aperto più di cinquant’anni fa.

Se potessimo tornare indietro di 4 miliardi di anni cammineremmo su un pianeta irriconoscibile e non troveremmo intorno a noi esseri viventi ed organismi strutturati come quelli moderni. Ci troveremmo infatti nel cosiddetto “mondo a RNA”. In questo mondo alieno possiamo trovare miscele di RNA che espletano contemporaneamente la funzione di conservare le informazioni genetiche e di sostenere il metabolismo (accelerando reazioni chimiche per la produzione di nuovo RNA e la propagazione del proprio materiale ereditario).

I confini fisici di questi proto-organismi erano probabilmente sfumati; potevano essere probabilmente microscopiche camere scavate in minerali sul fondale oceanico così come piccole cavità sulla superficie della Terra, sottoposte a cicli di idratazione e disidratazione.

Un grosso mistero va però risolto per comprendere come si possa essere arrivati al “mondo a RNA”: affinché l’RNA possa svolgere il suo ruolo dev’essere stato sintetizzato sotto forma di lunghi filamenti sulla Terra primordiale. Un compito molto difficile, considerando che in soluzione acquosa la chimica degli acidi nucleici in assenza di un metabolismo funzionante è a favore della loro degradazione piuttosto che della loro sintesi.

Un meccanismo che favorisca la sintesi è quindi necessario, ma difficile da immaginare.

Esperimenti per valutare la reattività di DNA e RNA mostrano chiaramente che nello stato di cristallo liquido la continuità fisica tra i terminali del DNA o RNA, mantenuti in prossimità dall’interazione idrofobica di stacking tra le basi azotate,ne incrementa notevolmente la reattività.

La reattività delle doppie eliche di acido nucleico dipende direttamente dalla probabilità dei loro terminali di incontrarsi in soluzione. Come descritto dallo sketch, in cui ogni cilindro rappresenta una doppia elica, La reazione che avviene in una soluzione ordinata genera prodotti di grandi dimensioni perché le molecole non devono necessariamente diffondere ed incappare in incontri fortunati (con la giusta direzione ed orientazione) in quanto già preventivamente posizionate ed ordinate dal loro stato di autoassemblaggio.

Rendendo più efficiente la reazione di sintesi, l’ordine liquido-cristallino può “essersi contrapposto” alla degradazione spontanea ed aver portato all’emergenza del “mondo a RNA”.

Queste interessanti proprietà non sono però sufficienti: tutti questi esperimenti sono stati eseguiti partendo da doppie eliche precostituite di RNA, ma una valida teoria per l’origine della vita deve necessariamente partire da una miscela più elementare.

Ci troviamo però di fronte ad un grave ostacolo: la nostra teoria prevede la formazione di cristallo liquido grazie all’interazione tra le doppie eliche, ma brevi sequenze di acido nucleico non interagiscono abbastanza stabilmente da produrre una doppia elica. Questo sembra rendere impossibile la formazione di cristallo liquido e sfavorisce il modello da noi proposto.

Studiando le proprietà dei nucleotidi trifosfato (ATP, TTP, CTP e GTP), i costituenti fondamentali di DNA e RNA, abbiamo recentemente osservato con nostra grande sorpresa la formazione di cristalli liquidi.

Queste molecole si autoassemblano in colonne di coppie di basi solo e soltanto quando viene rispettata la selettività di Watson-Crick, che descrive la selettività di legame tra le basi azotate (adenine con timine e guanine con citosine): soluzioni di ATP o miscele di ATP e CTP, così come miscele di ATP e GTP si comportano come liquidi isotropi, mentre miscele di ATP e TTP si mostrano birifrangenti, indicando che i singoli nucleotidi possono cooperativamente appaiarsi tramite legame idrogeno ed impilarsi (vedi sketch).

Questo dimostra che la formazione di cristallo liquido è una proprietà radicata anche nei singoli nucleotidi. Inoltre, questo esperimento dimostra che l’appaiamento Watson-Crick non è proprio unicamente dei filamenti di acido nucleico, dove le basi azotate sono chimicamente concatenate in un polimero: l’appaiamento Watson-Crick è una proprietà dei singoli nucleotidi e potrebbe essere il retaggio di un mondo primordiale a cristalli liquidi.

Marco Todisco
Dipartimento di Biotecnologie Mediche e Medicina Traslazionale
Università degli Studi di Milano