Gli scienziati si sono da sempre interrogati sulle modalità dell’origine della vita sulla Terra. L’attenzione degli studiosi è stata sempre rivolta a comprendere in che modo nucleotidi e amminoacidi, i mattoni della vita, si siano assemblati per produrre proteine a livello del brodo primordiale, noto anche come brodo prebiotico. Si tratta di quell’ambiente ancestrale da cui è iniziata la vita sulla Terra grazie allo sviluppo di una serie di fenomeni chimico-fisici.
Un nuovo studio di ricerca guidato dal CIBIO dell’Università di Trento, il cui leader è l’americano Sheref Mansy coordinato da un gruppo italiano tra cui la biochimica italiana Claudia Bonfio, invece ha diretto il suo interesse a comprendere i meccanismi biochimici ancestrali che hanno dato origine al metabolismo cellulare e quindi alla vita. Senza metabolismo, senza energia, non può esserci vita.
Tutti gli esseri viventi per vivere hanno bisogno di energia. Energia che ricavano dall’attività enzimatica di complessi ioni collegati a proteine: i gruppi ferro-zolfo. Da questa intuizione, il gruppo di ricerca si è mosso per svelare lo sviluppo ancestrale nella terra prebiotica dei primi enzimi che hanno permesso i meccanismi metabolici che sono alla base della vita sulla Terra: fotosintesi e respirazione. Meccanismi fondamentali delle prime forme di vita cellulare.
Lo studio ha cercato di verificare in maniera sperimentale, riproducendo in laboratorio le condizioni primordiali della Terra, se dalla materia inorganica abbiano potuto generarsi, appunto, i primi enzimi. Si evince, inoltre, il ruolo centrale della luce solare nello sviluppo di questi gruppi ferro-zolfo- nucleo centrale di tutti enzimi -da cui dipende la loro attività metabolica. Enzimi che sono appunto metallo proteine.
Il ruolo dei metalli, infatti, negli studi precedenti riguardanti l’origine della vita sono stati oggetto di poco interesse. In realtà la vita cellulare dipende dai metalli, da 1/3 a metà delle proteine sono tutte metallo proteine. La Terra è ricca di elementi metallici; quindi , è logico pensare che la vita nel suo nascere abbia sfruttato questa condizione.
Cos’è il brodo primordiale?
Il brodo primordiale, nel linguaggio chimico, non è altro che una miscela acquosa di sali inorganici e vari composti chimici semplici composti da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, sia di natura organica (idrocarburi, amminoacidi, acidi carbossilici, brevi polimeri) che inorganica (ammoniaca, anidride carbonica).
Ipotesi sull’origine della vita
Teoria di Oparin e Haldane - Secondo questa teoria,prima della comparsa della vita, la Terra prebiotica presentava una condizione completamente diversa dall’attuale. L’atmosfera terrestre era completamente priva di ossigeno e dello strato protettivo di ozono;costituita prevalentemente da azoto, vapore acqueo e anidride carbonica. La temperatura del pianeta era elevatissima, quindi la superficie terrestre, l’idrosfera, era formata da acqua allo stato liquido. Le sostanze chimiche semplici, prevalentemente inorganiche, presenti negli oceani e i gas atmosferici sotto l’azione dei raggi ultravioletti e delle scariche elettriche dei primi temporali, fornendo energia libera, hanno permesso spontaneamente la formazione di molecole complesse di natura organica, ossia acidi nuclei, peptidi e polipeptidi. La completa assenza dell’ossigeno e di organismi viventi negli oceani primordiali ha permesso che queste molecole si accumulassero in grande quantità evitandone allo stesso tempo il degrado.
In questo ambiente ancestrale, con meccanismi ancora poco conosciuti, si sarebbero formate le prime protocellule, ossia le prime forme di vita cellulare. Probabilmente nello sviluppo abiotico di composti organici si sono formati aggregati micellari di fosfolipidi, i principali costituenti delle membrane cellulari. Queste micelle, nello loro sviluppo ancestrale, hanno racchiuso al loro interno le molecole complesse che rappresentato i mattoni della vita, acidi nucleici –Dna e Rna- peptidi e polipeptidi.
L’esperimento di Miller-Urvey - Nel 1953 i due scienziati cercano di ricostruire in laboratorio le condizioni della Terra prebiotica prima della comparsa della vita dimostrando sperimentalmente la teoria degli scienziati Oparin-Handale secondo cui le condizioni primordiali della Terra hanno permesso spontaneamente lo sviluppo di una serie di reazioni chimico-fisiche che hanno generato composti organici a partire da componenti inorganiche più semplici. L’esperimento portò alla formazione di una miscela organica avente le stesse caratteristiche chimiche del “brodo prebiotico”. Dimostrando l’origine abiotica della vita.
L’ambiente primordiale prima della vita sulla terra fu realizzato in laboratorio inserendo in sistema sterile i gas che costituivano l’atmosfera quali idrogeno – l’ elemento più diffuso - il metano, l’ammoniaca e l’acqua. Tale sistema comprendeva due sfere di vetro collegate tra loro da un sistema di tubi sigillati, una conteneva l’acqua allo stato liquido l’altro due elettrodi. L’acqua veniva scaldata in modo da evaporare e così il vapore acqueo poteva miscelarsi con i gas presenti nell’altra sfera contenenti i due elettrodi; i quali servivano per generare scariche elettriche che simulano i temporali della Terra prebiotica.
Successivamente tutto veniva raffreddato in modo tale che l’acqua poteva condensare e ricadere nella sfera precedente e ripetere il ciclo. Mantenendo tutto il sistema in maniera costante e ripetendo l’esperimento per una settimana Miller si rese conto che il 15% del carbonio andava a formare composti organici, tra cui amminoacidi. L’esperimento dava prova, quindi, l’origine abiotica dei composti organici biologici che rappresentano i mattoni della vita.
Tale sperimentazione, quindi , ha spronato gli scienziati a realizzare altri tentativi di riproduzione abiotica di altre molecole di interesse biologico, tra cui la base nucleotidica adenina a partire di acido cianidrico e ammoniaca acquosa; da cui si sono formati anche diversi amminoacidi.
Le ultime novità dal CIBIO dell’Università di Trento
Il gruppo di ricerca ha ricostruito, anche in questo caso, in laboratorio le condizione della Terra prebiotica con lo scopo di cercare di comprendere in che modo i gruppi ferro-zolfo si sono originati sulla Terra. Il ferro disciolto nella Terra primordiale era ridotto allo stato ferroso, gli ioni ferrosi non sono in grado da soli a dare origine i cluster ferro-zolfo polinucleare. Il solfuro libero, con molta probabilità, non era disponibile.
In assenza di ossigeno, gli studiosi hanno dimostrato che i raggi ultravioletti sono stati responsabili alla sintesi dei cluster ferro-zolfo attraverso la fotossidazione degli ioni ferrosi e la fotolisi dei tioli organici. I gruppi ferro-zolfo si stabilizzando in una grossa quantità di gamma di peptidi contenenti cisteina, tra cui il glutatione importante antiossidante ed enzima del nostro corpo. La serie di esperimenti dimostra l’origine di un metabolismo dipendente dal cloruro di ferro e di zolfo, dove la luce solare ha un ruolo fondamentale nell’origine abiotica della vita.
"Il nostro lavoro – interviene Mansy, la guida del gruppo di ricerca - fornisce un’idea di come il metabolismo potrebbe essere emerso per la prima volta. Si tratta di un meccanismo molto importante, perché senza metabolismo una cellula non può sopravvivere. Del resto, per sopravvivere tutti dobbiamo mangiare".
Per il ricercatore il nuovo studio è conciliabile con l’ipotesi di Darwin, avanzata oltre un secolo e mezzo fa, per cui il primo 'incubatore' della vita sulla Terra sarebbe stato un piccolo stagno piuttosto che il vasto oceano. “Il ruolo dei metalli – ha aggiunto – è stato per lo più ignorato dalle comunità scientifiche che studiano l’origine della vita. E questo è strano perché, da un terzo alla metà, le proteine sono metalloproteine. La vita come la conosciamo dipende completamente dai metalli e la Terra è ricca di elementi metallici: quindi è logico che la vita abbia avuto inizio sfruttando in qualche modo questa condizione. Spero - ha concluso - che il nostro lavoro porti maggiore attenzione sull’importanza dei metalli per lo studio della vita e della sua origine.”
(Foto: fonte ANSA)