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Le reazioni chimiche alla base del metabolismo - i processi che si verificano all'interno di tutti gli organismi viventi, al fine di sostenere la vita - possono essersi formati spontaneamente nei primi oceani della Terra, secondo la ricerca pubblicata oggi.
Uno studio finanziato dal Wellcome Trust e ricercatori del Consiglio europeo della ricerca presso l'Università di Cambridge ha ricostruito la composizione chimica del primo oceano della Terra in laboratorio. Il gruppo ha trovato la comparsa spontanea di sequenze di reazione che negli organismi moderni consentono la formazione di molecole essenziali per la sintesi dei metaboliti. Queste molecole organiche, come amminoacidi, acidi nucleici e lipidi, sono fondamentali per il metabolismo cellulare visto in tutti gli organismi viventi.
La rilevazione di uno dei metaboliti, ribosio 5-fosfato, nelle miscele di reazione è particolarmente degno di nota, come precursore del RNA potrebbe in teoria dar luogo a molecole di RNA che codificano le informazioni, catalizzare reazioni chimiche e replicarsi.
Si è precedentemente supposto che le complesse sequenze di reazione metabolica, noti come percorsi metabolici che si verificano nelle cellule moderne, fossero possibili solo grazie alla presenza di enzimi. Gli enzimi sono macchine molecolari molto complesse che si pensa si siano formati durante l'evoluzione degli organismi moderni. Tuttavia, la ricostruzione del team rivela che le reazioni del metabolismo avrebbero potuto avvenire naturalmente nei nostri primi oceani, prima che i primi organismi si fossero evoluti.
La vita sulla Terra è iniziata durante l'eone geologico Archeano quasi 4 miliardi di anni fa negli oceani ricchi di ferro che hanno dominato la superficie del pianeta. Questo era un mondo senza ossigeno, prima della fotosintesi, quando lo stato ridotto del ferro era diverso e molto più solubile da agire come potenziale catalizzatore. In questi oceani, ferro, altri metalli e fosfato facilitavano una serie di reazioni che assomigliavano a quelle del nucleo del metabolismo cellulare che si verificano in assenza di enzimi.
I risultati suggeriscono che il metabolismo precede l'origine della vita e si è evoluto attraverso le condizioni chimiche che prevalevano nei antichi oceani.
"I nostri risultati mostrano che le sequenze di reazione che assomigliano a due cascate di reazione essenziali del metabolismo, glicolisi e i percorsi del penta-fosfato, avrebbero potuto avvenire spontaneamente negli antichi oceani della terra," dice il Dott. Markus Ralser dal Dipartimento di Biochimica presso l'Università di Cambridge e l'Istituto Nazionale per la ricerca medica, che ha condotto lo studio.
"Nella nostra versione ricostruita dell'antico oceano Archeano, queste reazioni metaboliche erano particolarmente sensibili alla presenza di ferro ferroso che era abbondante nei primi oceani, ed accelerava molte delle reazioni chimiche che osserviamo. Siamo rimasti sorpresi da quanto specifichesiano state queste reazioni", ha aggiunto.
Le condizioni del mare Archeano sono state ricostruite in base alla composizione di vari primi sedimenti descritti nella letteratura scientifica che identificano forme solubili di ferro come una delle molecole più frequenti presenti in questi oceani.
Alexandra Turchyn del Dipartimento di Scienze della Terra presso l'Università di Cambridge, uno dei co-autori dello studio, ha dichiarato: "Siamo abbastanza certi che i primi oceani non contenessero ossigeno, e così ogni forma di ferro presente sarebbe stato solubile in questi oceani. E' quindi possibile che le concentrazioni di ferro avrebbero potuto essere molto alte".
I diversi metaboliti sono stati incubati a temperature di tra i 50 e i 90˚C, simili a quelle che ci si potrebbe aspettare nei pressi delle sorgenti idrotermali di un vulcano oceanico. Queste temperature non dovrebbero sostenere l'attività degli enzimi proteici convenzionali. I prodotti chimici sono stati separati e analizzati mediante spettrometria di massa insieme a una cromatografia liquida.
Alcune delle reazioni osservate potrebbero avvenire anche in acqua ma sono state accelerate dalla presenza di metalli che servivano come catalizzatori. "In presenza di ferro e di altri composti che si trovano nei sedimenti oceanici, abbiamo osservato 29 reazioni chimiche come quelle del metabolismo, comprese quelle che producono alcune delle sostanze chimiche essenziali del metabolismo, ad esempio i precursori e i mattoni delle proteine o RNA," dice il dottor Ralser.
"Questi risultati indicano che l'architettura di base della moderna rete metabolica potrebbe aver avuto origine dai vincoli chimici e fisici che esistevano sulla Terra miliardi di anni fa."
Fonte: Cambridge University
