Proprio come le storie mitiche della creazione che descrivono la formazione del mondo come la storia dell'ordine dal caos, la Terra primitiva ospitava un ammasso caotico di molecole organiche da cui, in qualche modo, sono emerse strutture biologiche più complesse come RNA e DNA.

Non c'era una mano guida per dettare come le molecole all'interno di quell'ammasso prebiotico avrebbero dovuto interagire per formare la vita. Ancora, se quelle molecole avessero interagito casualmente allora, ogni probabilità, che non si sarebbero mai imbattuti nelle giuste interazioni per portare alla fine alla vita.

"La domanda è, tra tutte le possibilità casuali, ci sono regole che governano queste interazioni?" chiede Ramanarayanan Krishnamurthy, un chimico organico presso lo Scripps Research Institute in California.

Queste regole sarebbero selettive, inevitabilmente conducendo alle giuste interazioni per assemblare gli elementi costitutivi della vita. Per svelare i segreti di queste regole e come il disordine prebiotico è passato al mondo della vita biologicamente ordinato, Krishnamurthy utilizza una disciplina chiamata "chimica dei sistemi, " e ha pubblicato un articolo sull'argomento sulla rivista Conti di ricerca chimica che esplora questo modo relativamente nuovo di comprendere come la vita provenga dalla non-vita.

Il premio Nobel e genetista Jack Szostak della Harvard Medical School descrive la chimica dei sistemi come:"uno dei nuovi modi di pensare ai problemi della chimica prebiotica". Per capire come funziona la chimica dei sistemi, pensa a un pallone pieno di chimica A, a cui un'altra sostanza chimica, B, viene aggiunto e che reagisce con A per produrre altre due sostanze chimiche, C e D. Poiché nessun processo è efficiente al 100%, il pallone ora contiene sostanze chimiche A, B, C e D. "Quindi ora hai un sistema, " spiega Krishnamurthy. La chimica dei sistemi considera il sistema nel suo insieme ed esplora le regole all'interno di quel sistema che governano il modo in cui ogni sostanza chimica interagisce con le altre, e in condizioni diverse.

Ancora, la chimica dei sistemi va oltre la semplice gestione di sistemi contenenti molte sostanze chimiche, dice Szostak. "Si tratta di pensare a quali sostanze chimiche o condizioni potrebbero essere disponibili e utili". Cita l'esempio del fosfato, che è automaticamente presente nei sistemi biochimici a causa della sua esistenza nei blocchi nucleotidici della biologia, e quindi è a disposizione per svolgere più ruoli nella storia della vita, come agire come catalizzatore e proteggere le cellule dai cambiamenti di pH.

Certo, svelare la chimica del disordine prebiotico è ben diverso dallo spiegare le interazioni di quattro sostanze chimiche in una boccetta. La potenza di calcolo e analitica necessaria per simulare un sistema così complesso era irraggiungibile solo un decennio o due fa. Anziché, la maggior parte della ricerca sull'origine della vita in precedenza si era concentrata su singole classi di biomolecole, il più promettente è l'RNA (acido ribonucleico).

Uno scenario di pollo e uova

La teoria del mondo a RNA, che è l'idea che l'RNA esistesse prima delle cellule, affronta un paradosso. L'RNA produce proteine, ma anche le proteine ​​costituiscono l'RNA. "I biologi hanno preso la biologia moderna e per ragioni di parsimonia l'hanno portata indietro, ma poi si sono imbattuti nel problema di cosa fosse venuto prima, proteine ​​o RNA?" dice Krishnamurthy

Quando Thomas Cech dell'Università del Colorado scoprì nel 1981 che l'RNA può catalizzare le reazioni al suo interno, il problema sembrava risolto. Durante la notte, L'importanza dell'RNA per la vita è stata trasformata. Essendo catalitico, L'RNA potrebbe dare il via ad altre biochimiche inclusa la formazione di proteine ​​e quindi doveva venire prima. La successiva scoperta che è la molecola di RNA in un ribosoma che è responsabile della sintesi proteica ha dato ulteriore credito all'ipotesi del "mondo a RNA".

Il mondo dell'RNA ha, però, essere oggetto di molte critiche ultimamente, che Krishnamurthy crede sia meritato. L'RNA è in grado di trasferire informazioni genetiche negli organismi ed è costituito da catene di ribonucleotidi. Ma c'è un problema.

"I nucleotidi non emergono solo da miscele chimiche, devono essere realizzati in modo ben definito, " dice. "Ci deve essere un certo ordine nella sequenza di reazione. Non è come l'esperimento sulla scarica di scintille di Stanley Miller in cui ha messo insieme tutti questi gas, premuto un interruttore e 'Voila!'"

La chimica dei sistemi descrive lo sviluppo dell'RNA come una catena di eventi guidati da interazioni selettive e catalisi. I ribonucleotidi sono formati da ribonucleosidi legati al fosfato. Un nucleoside è costituito da una base azotata, che è un composto azotato, legato ad un monosaccaride, che è uno zucchero contenente cinque atomi di carbonio, chiamati pentosi. Tra la popolazione dei monosaccaridi ci sono quattro pentosi, tra questi ribosio, che viene in qualche modo selettivamente convertito in ribonucleoside invece degli altri tre pentosi.

Sebbene Szostak sia d'accordo sul fatto che la chimica dei sistemi abbia il potere di supportare la teoria del mondo dell'RNA, o almeno spiegare l'origine dell'RNA, fa notare che è stata dedicata una quantità sproporzionata di lavoro per capire come si formano i nucleotidi, e non abbastanza in quello che succede dopo. "Mancano ancora dei passaggi per capire come potrebbe essere prodotto l'RNA, " dice. Allora, la sfida ora per la chimica dei sistemi è mostrare come e perché si verifica ciascuna di queste fasi.

"Solo sintetizzare un monomero di RNA come un nucleoside o un nucleotide non è sufficiente per dire di aver trovato l'origine dell'RNA, " dice Krishnamurthy. "Come metti insieme quei monomeri in modo significativo che sia autosufficiente?"

L'effetto di selezione potrebbe aver luogo a una moltitudine di livelli nella creazione di RNA. Forse le regole di selezione sono ciò che determina perché ribosio, piuttosto che gli altri tre pentosi:xilosio, lyxose o arabinose:viene convertito nei nucleosidi utilizzati dall'RNA. Forse l'effetto di selezione arriva quando si spiega perché il fosfato preferisce legarsi ai ribonucleosidi, piuttosto che altri nucleosidi. O, forse sono gli stessi ribonucleotidi che vengono selezionati essendo più efficienti di altri nucleotidi nel formare catene. Non sappiamo ancora quale sia la risposta, ma Krishnamurthy crede che la chimica dei sistemi sia lo strumento migliore per scoprirlo.

Effetti di selezione

Troviamo regole di selezione che guidano le interazioni in chimica come risultato delle condizioni ambientali; o proprietà emergenti come l'attività catalitica, autoassemblaggio e autoriproduzione; o anche come risultato delle specificità delle reazioni chimiche.

Cianuro, Per esempio, assume la forma di nitrili non tossici in biochimica, legandosi con molecole a base di carbonio per formare molecole organiche più complesse. È anche un reagente piuttosto utile. Aggiungere cianuro a due composti organici specifici contenenti chetone e acido carbossilico, chiamati chetoacidi e chetoalcoli, e produce cianidrine che sono importanti precursori di alcuni amminoacidi. Però, in acqua le cianidrine possono subire idrolisi e degradarsi, ma se lo fanno o no dipende dal pH di quell'acqua. In un articolo pubblicato su Chimica:una rivista europea , Krishnamurthy, Il collega di Scripps Jayasudhan Yerabolu, e il chimico del Georgia Institute of Technology Charles Liotta hanno scoperto che l'idrolisi avviene a un pH inferiore a 7 per le cianidrine formate da chetoacidi, e un pH maggiore di 7 per le cianidrine formate da chetoalcoli. Perciò, la sopravvivenza a lungo termine delle cianidrine dipende selettivamente dall'acidità o dall'alcalinità dell'ambiente circostante.

Un altro esempio che comprende la reattività al cianuro coinvolge molecole di ossalacetato e alfa-chetoglutarato, che svolgono un ruolo nel ciclo dell'acido citrico (una serie di reazioni chimiche che rilasciano energia utilizzate dalla vita che respira ossigeno). In presenza di cianuro, ossalacetato viene selettivamente trasformato invece di alfa-chetoglutarato, per formare un derivato dell'acido idrossi-succinico.

"In una miscela in cui si possono trovare sia ossalacetato che alfa-chetoglutarato, aggiungendo cianuro puoi trasformare selettivamente l'uno ma non l'altro, "dice Krishnamurthy.

Questi esempi dimostrano ciò che Krishnamurthy descrive come la transizione dall'eterogeneità eterogenea (diverse interazioni in un sistema di molte molecole) all'eterogeneità omogenea (selezione tra diverse interazioni tra relativamente poche molecole che formano la spina dorsale dei sistemi della vita, come l'RNA). In altre parole, è l'emergere dal disordine prebiotico di una proto-biochimica ordinata.

"La soluzione sembra essere quella di passare dalla miscela eterogenea a quella che chiamo eterogeneità omogenea, " dice Krishnamurthy. "Questo è ciò che il nostro laboratorio sta cercando di dimostrare come prova di principio".

C'è ancora una lunga strada da percorrere e Krishnamurthy raccomanda che i progressi saranno fatti meglio a piccoli passi mentre gli scienziati sviluppano questo approccio dal basso verso l'alto all'origine della vita dal disordine prebiotico eterogeneo. Scoprendo reazioni e catalisi che selezionano le giuste interazioni tra i composti organici, lo scopo è quello di costruire la nostra comprensione di come sono assemblati i mattoni di base:come, Per esempio, L'RNA è emerso dal caos.

In definitiva il desiderio è quello di costruire una simulazione sperimentale che includa l'intera eterogeneità eterogenea del disordine prebiotico in una replica dell'ambiente primitivo della Terra, e poi eseguire quella simulazione più e più volte per vedere quali interazioni selettive sono più comuni e se possono ripetere l'origine della vita.

"Sono ottimista sul fatto che saremo in grado di elaborare percorsi ragionevoli per creare tutti gli elementi costitutivi della biologia, e per assemblare questi componenti in semplici, cellule primitive, " dice Szostak. "Tuttavia, c'è molto da imparare prima di poter raggiungere questo ambizioso obiettivo".

Proprio come la fiaschetta che ha finito per contenere le sostanze chimiche A, B, C e D, i prodotti finali di queste reazioni selettive potrebbero iniziare a interagire con le loro sostanze chimiche di origine, qualcosa che non accade nel pulito, mondo di RNA isolato che viene studiato in laboratorio. Quali soluzioni nuove e precedentemente trascurate attendono di essere scoperte e quanto velocemente i piccoli passi ci porteranno a loro?

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Astrobiology Magazine della NASA. Esplora la Terra e oltre su www.astrobio.net.