Chimica forense: la scienza dietro il laboratorio della scientifica

Alle 9:05 della mattina di lunedì 10 settembre 1984, un genetista di nome Alec Jeffreys estrasse da una vaschetta di lavaggio, nel suo laboratorio all'Università di Leicester, un foglio di pellicola radiografica appena sviluppato. Stava osservando un autoradiogramma, una registrazione fotografica dei punti in cui sonde radioattive si erano legate a frammenti di DNA umano distribuiti su un gel. Ciò che vide era un disegno sfumato di bande disposte come i pioli di una scala, e quel disegno era diverso per ogni persona presente sul gel. Non solo: le bande presenti in un figlio potevano essere ricondotte alle bande della madre e del padre di quel figlio. In pochi minuti, fissando un pezzo di pellicola, Jeffreys capì di avere davanti qualcosa di realmente nuovo: una firma chimica unica per ogni individuo eppure ereditata in modo leggibile. Chiamò la tecnica impronta genetica del DNA, e nel giro di quattro anni avrebbe portato alla prima condanna penale della storia ottenuta da una corrispondenza genetica, scagionato il primo sospettato accusato ingiustamente e trasformato un'intera disciplina scientifica.

Quella disciplina è la chimica forense, l'applicazione della chimica analitica alle questioni giudiziarie. È più antica dell'era del DNA di un secolo e mezzo, ed è costruita su un'idea esigente: che le prove materiali, analizzate correttamente, possano parlare in modo più affidabile di qualsiasi testimone. Questo articolo ripercorre come funziona e come è cresciuta, da un tubo di vetro rivestito di arsenico metallico fino a un profilo genetico con una probabilità di falsa corrispondenza migliore di uno su un quintilione.

Una mattina a Leicester che cambiò la giustizia penale

La scoperta di Leicester passò rapidamente dalla curiosità all'aula di tribunale. Nel 1985 Jeffreys aveva applicato l'impronta genetica del DNA al suo primo caso pratico, una controversia di paternità e immigrazione, in cui la tecnica dimostrò il legame biologico di un ragazzo con la sua famiglia. La sua prima applicazione penale seguì nel Leicestershire tra il 1986 e il 1987, e arrivò nelle circostanze peggiori possibili. Due ragazze adolescenti erano state assassinate in villaggi vicini. Lynda Mann fu uccisa a Narborough nel 1983, e Dawn Ashworth a Enderby nel 1986, e i casi portavano i segni di un unico aggressore.

Un uomo del posto, Richard Buckland, confessò l'omicidio di Ashworth, e le indagini avrebbero potuto concludersi lì, se non fosse che la polizia chiese a Jeffreys di confermare la confessione confrontandola con le prove biologiche. La sua analisi del DNA fece l'esatto contrario. Mostrò che un solo uomo aveva commesso entrambi i delitti, ma che quell'uomo non era Buckland, che fu scagionato nel 1986. Era la prima volta che una prova del DNA scagionava un sospettato prima della condanna, e portava con sé una lezione scomoda: una confessione può essere falsa, ma la chimica non lo era. Per trovare il vero assassino, gli investigatori avviarono uno screening di massa, raccogliendo sangue e saliva da circa 5.000 uomini nei villaggi della zona. Lo screening da solo non lo catturò, perché un uomo di nome Colin Pitchfork convinse un collega a fornire un campione al suo posto. Solo quando l'inganno venne alla luce Pitchfork fu sottoposto al test, identificato e incriminato. Si dichiarò colpevole nel gennaio 1988. Il caso produsse due primati in un colpo solo: la prima condanna penale ottenuta grazie a una prova del DNA e la prima esonero da parte sua prima della condanna.

Leggere la firma chimica all'interno di una cellula

La tecnica originale usata da Jeffreys era laboriosa, basata su lunghi tratti di DNA ripetitivo e su sonde radioattive. L'analisi forense del DNA moderna è più rapida, più sensibile e quasi interamente automatizzata, ma la logica è la stessa. Un analista parte da un campione biologico, che può essere sangue, saliva, sperma o poche cellule della pelle, e ne estrae il DNA. Poiché una traccia sulla scena del crimine può contenere solo una quantità minima di materiale, il passo successivo è l'amplificazione: la reazione a catena della polimerasi, o PCR, copia milioni di volte specifiche regioni bersaglio finché non ce n'è abbastanza da poter misurare.

Quelle regioni bersaglio sono la chiave. Disperse nel genoma umano ci sono sequenze brevi e ripetute chiamate brevi ripetizioni in tandem (STR), in cui un breve motivo di DNA si ripete testa-coda un numero variabile di volte. Il numero di ripetizioni in una data posizione varia ampiamente da persona a persona, ed è proprio questa variazione a rendere distintivo un profilo. I laboratori forensi amplificano un insieme fisso e standardizzato di queste posizioni, chiamate loci, in modo che i risultati di laboratori diversi possano essere confrontati. Dopo l'amplificazione, i frammenti vengono ordinati per dimensione tramite elettroforesi capillare, che trascina i pezzi di DNA attraverso un tubo sottile sotto un campo elettrico, così che i frammenti più corti viaggiano più velocemente e quelli più lunghi restano indietro. Il risultato è un profilo, un insieme di numeri che descrive quante ripetizioni si trovano a ciascun locus, e quel profilo viene confrontato con il campione di un sospettato o con una banca dati. Negli Stati Uniti il sistema CODIS utilizza un pannello fondamentale di venti loci STR. Poiché i loci sono scelti in modo da essere statisticamente indipendenti, la probabilità che due persone non imparentate condividano per caso un profilo completo è migliore di uno su un quintilione, un numero con diciotto zeri.

Quando un solo test bastava a mandare alla forca un avvelenatore

Molto prima del DNA, il problema centrale della chimica forense era il veleno, e il veleno centrale era l'arsenico. Era economico, ampiamente disponibile come topicida, insapore nel cibo, e produceva sintomi che imitavano malattie naturali come il colera. Per gran parte della storia un sospetto omicidio da arsenico era quasi impossibile da provare, perché i test disponibili erano inaffidabili e facili da respingere in tribunale. Questo cambiò nel 1836, quando il chimico britannico James Marsh pubblicò un metodo abbastanza sensibile da convincere una giuria.

Il test di Marsh funziona per riduzione. Un campione sospettato di contenere arsenico viene trattato con zinco e acido, e qualsiasi arsenico presente viene convertito in un gas chiamato arsina. Quando quel gas viene fatto passare attraverso un tubo di vetro riscaldato, si decompone e deposita sul vetro una pellicola nera lucente di arsenico metallico, il cosiddetto specchio di arsenico. La quantità depositata poteva essere confrontata con campioni di riferimento, rendendo il risultato sia visibile sia quantificabile. Il test di Marsh appartiene a una famiglia più ampia di metodi che i chimici forensi chiamano test presuntivi, cioè procedure rapide ed economiche che suggeriscono fortemente la presenza di una sostanza senza dimostrarla in modo conclusivo. Un altro esempio famoso è il test di Kastle-Meyer per il sangue, sviluppato da Erich Kastle ed Erich Meyer nel 1903. Si basa sulla chimica dell'emoglobina, il cui gruppo eme contenente ferro imita un enzima chiamato perossidasi; in presenza di perossido di idrogeno, fa diventare di un rosa acceso un reagente incolore a base di fenolftaleina. Un risultato positivo dice all'investigatore di procedere con ulteriori analisi, non di trarre una conclusione, e questa distinzione tra un indizio e una prova attraversa tutto il campo.

Separare una miscela, poi dare un nome a ogni sua parte

Un viraggio di colore presuntivo può segnalare la possibile presenza di sangue o di un veleno, ma confermare quale composto sia presente, e in quale quantità, richiede uno strumento più potente. Il cavallo di battaglia del laboratorio della scientifica moderno è la gascromatografia accoppiata alla spettrometria di massa, di solito abbreviata in GC-MS, che combina due tecniche complementari in un'unica analisi.

La prima metà, la gascromatografia, risolve il problema della separazione. Una prova reale non è quasi mai una sostanza pura; un campione di detriti da incendio doloso, per esempio, è una miscela caotica di materiale bruciato e di qualunque acceleratore possa essere stato versato sopra. La gascromatografia vaporizza la miscela e la trasporta in un flusso di gas inerte attraverso una colonna capillare molto lunga e sottile, rivestita all'interno con una pellicola chimica. Composti diversi aderiscono a quel rivestimento in misura diversa, così viaggiano attraverso la colonna a velocità diverse ed emergono uno alla volta, ordinatamente separati. La seconda metà, la spettrometria di massa, risolve il problema dell'identificazione. Mentre ogni composto separato esce dalla colonna, viene ionizzato e frammentato in particelle cariche, e lo strumento misura il rapporto massa/carica di quei frammenti. Ogni molecola si frantuma in un modo caratteristico e riproducibile, producendo uno schema di frammentazione che funziona come un'impronta molecolare e può essere confrontato con librerie di riferimento. Insieme, le due fasi permettono a un analista di prendere un singolo campione disordinato, scomporlo composto per composto e dare un nome a ciascuno, ed è per questo che la GC-MS è la tecnica di conferma standard per le droghe d'abuso, per gli acceleratori degli incendi dolosi e per i veleni della tossicologia.

La prova che non parla mai ma testimonia sempre

Il DNA e la chimica pura sono solo una parte del lavoro del laboratorio. Gran parte della scienza forense consiste nel leggere le tracce materiali che il colpevole non ha potuto evitare di lasciarsi dietro. Quando viene sparato un proiettile, le scanalature elicoidali ricavate nella canna di un'arma, chiamate rigatura, incidono fini graffi paralleli, o striature, nel metallo tenero del proiettile. Quelle striature sono di fatto uniche per una sola canna, e la pratica di confrontarle fianco a fianco al microscopio fu sistematizzata da Calvin Goddard, che istituì un Bureau of Forensic Ballistics e perfezionò la microscopia per il confronto dei proiettili nel 1925. L'esame dei documenti contestati applica un ragionamento simile alla carta e all'inchiostro, analizzando la chimica di una firma, un assegno o una nota in discussione per stabilire se sia autentico, alterato o falsificato.

Un esempio particolarmente elegante è il residuo dello sparo. Quando l'innesco di un'arma da fuoco si accende, espelle particelle microscopiche la cui composizione riflette la chimica dell'innesco, classicamente una combinazione fusa di piombo, antimonio e bario. Il metodo moderno per trovarle è la microscopia elettronica a scansione con spettroscopia a raggi X a dispersione di energia, abbreviata in SEM-EDX. Il microscopio elettronico individua particelle troppo piccole per essere viste a occhio nudo e ne rivela la caratteristica forma arrotondata e fusa, mentre il rivelatore a raggi X legge gli elementi contenuti in ciascuna, confermando la firma piombo-antimonio-bario che le contrassegna come residuo piuttosto che come comune polvere. Forme diverse di prova, dunque, richiedono strumenti diversi abbinati ad analiti diversi: elettroforesi capillare per la variazione di sequenza del DNA, GC-MS per i composti organici volatili, spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente per i metalli in tracce, e microscopia con imaging elementare per le particelle. Ogni tecnica ha il suo bersaglio, la sua macchina e il suo limite di rilevazione.

Centocinquant'anni dall'arsenico al genoma

Facendo un passo indietro rispetto ai singoli metodi, emerge un lungo arco. La chimica forense si estende su circa un secolo e mezzo, dal test dell'arsenico di Marsh del 1836, passando per il test del sangue di Kastle-Meyer del 1903, la microscopia per il confronto dei proiettili di Goddard del 1925 e la fondazione dell'FBI Crime Laboratory nel 1932, fino all'impronta genetica del DNA di Jeffreys nel 1984, alla condanna di Pitchfork del 1988 e alla standardizzazione del pannello STR del CODIS nel corso degli anni 2000. Ogni passo ha aggiunto non solo un nuovo strumento, ma uno standard di certezza più elevato.

La crescita di quella certezza taglia in due direzioni, e il campo ha dovuto fare i conti con la propria fallibilità. Nel 1992 gli avvocati Barry Scheck e Peter Neufeld fondarono l'Innocence Project presso la Cardozo School of Law, usando la stessa identica chimica del DNA per riesaminare vecchie condanne; da allora l'organizzazione ha usato i test del DNA successivi alla condanna per scagionare più di 250 persone ingiustamente condannate negli Stati Uniti. Pochi anni dopo, il processo del 1995 a O. J. Simpson a Los Angeles portò la prova del DNA al centro dell'attenzione pubblica americana, e la difesa non attaccò la chimica della tipizzazione del DNA in sé. Attaccò invece il modo in cui la prova era stata raccolta, conservata e gestita, sottolineando una lezione che la disciplina ha dovuto imparare ripetutamente. La chimica può essere solida, ma un risultato è affidabile solo quanto la catena di gestione umana che lo circonda, dalla scena del crimine all'aula di tribunale.

Punti chiave

La chimica forense è l'applicazione della chimica analitica alle questioni giudiziarie, e la sua storia copre circa 150 anni, dal test dell'arsenico di James Marsh del 1836, che depositava uno specchio metallico di arsenico ridotto per condannare gli avvelenatori, fino alla scoperta dell'impronta genetica del DNA da parte di Alec Jeffreys all'Università di Leicester il 10 settembre 1984 e al moderno profilo CODIS a venti loci, la cui probabilità di corrispondenza casuale è migliore di uno su un quintilione perché conta le ripetizioni variabili nei loci standardizzati di brevi ripetizioni in tandem amplificati tramite PCR e ordinati tramite elettroforesi capillare. Il caso Pitchfork del 1986-1988 produsse sia la prima condanna penale sia il primo esonero precedente alla condanna grazie al DNA, un abbinamento che racchiude il duplice potere del campo di condannare e di scagionare. La disciplina distingue i rapidi test presuntivi, come il test alla fenolftaleina di Kastle-Meyer per il sangue, dagli strumenti di conferma, primo fra tutti la GC-MS, che separa una miscela tramite gascromatografia e poi identifica ogni componente attraverso la sua impronta spettrale di massa, mentre metodi specializzati come la SEM-EDX leggono le particelle di piombo-antimonio-bario del residuo dello sparo. Attraverso tutto questo corre un unico principio, rafforzato dal processo a O. J. Simpson e dall'Innocence Project, fondato nel 1992 e responsabile di più di 250 esoneri: la solidità di un'analisi dipende non solo dalla chimica, ma dall'integrità della prova e delle persone che la gestiscono.