In un progetto finanziato dall'Austrian Science Fund FWF, il biochimico Markus Keller ha dimostrato con successo quanto importanti meccanismi metabolici fossero in grado di svilupparsi nelle cellule quattro miliardi di anni fa. La sua ricerca fornisce intuizioni completamente nuove sull'origine della vita.

L'origine della vita è forse il più grande mistero della scienza. Non si è ancora adeguatamente compreso come qualcosa di così complesso possa evolversi dalla natura inanimata. Il biochimico Markus Keller dell'Università di Medicina di Innsbruck ha ora dato un importante contributo alla nostra comprensione di come si è sviluppata la vita sulla Terra. Una borsa di studio Erwin-Schrödinger della FWF ha permesso a Keller di fare ricerca all'estero. Nel corso del suo lavoro ha esplorato come si sono sviluppati alcuni processi molto antichi e complessi del metabolismo cellulare. – Processi che hanno quasi quattro miliardi di anni e si trovano anche nell'organismo umano.

"Il punto cruciale qui è come è iniziato il metabolismo in primo luogo", dice Keller. "In alcuni luoghi del nostro pianeta ci sono sedimenti molto antichi che mostrano che la vita è iniziata più di 3,7 miliardi di anni fa. Da questi sedimenti non siamo in grado, però, per concludere esattamente in quale forma esistesse la vita e quali fossero le sue caratteristiche. Sappiamo solo che deve esserci stata una sorta di attività metabolica", osserva Keller.

Alcune vie metaboliche sono identiche in quasi tutti gli organismi viventi del pianeta. Un esempio è la glicolisi, la lavorazione dello zucchero. "Impianti, i batteri e altri organismi viventi usano il glucosio nello stesso modo in cui lo facciamo noi stessi. Possiamo presumere che i processi fossero gli stessi nelle forme di vita esistenti nelle primissime fasi dell'evoluzione. La domanda è questa:come potrebbero queste forme di vita interconvertire i prodotti intermedi della glicolisi?"

Il mistero degli enzimi mancanti

Il metabolismo cellulare è un sistema complicato che dipende da un numero di enzimi. – Queste proteine ​​speciali fungono da catalizzatori, e alcuni processi non sarebbero possibili senza di loro. Se manca un enzima, l'intero ciclo non funziona. Come spiega Keller, è un problema di galline o uova:cosa è nato prima? Gli enzimi, quali sono i prodotti metabolici stessi? o metabolismo, che non funziona senza enzimi? Solo pochi anni fa, l'idea che molti di questi meccanismi metabolici avrebbero potuto funzionare senza enzimi, semplicemente a causa delle condizioni ambientali prevalenti, è stato denigrato come "pensiero magico". Ma sono proprio questi processi di cui Keller ha potuto dimostrare l'esistenza.

Importanza del ferro nell'Oceano Archeano

I suoi primi articoli riguardavano la glicolisi e quella che viene chiamata la "via pentoso-fosfato". "Nel momento in cui la vita deve essere iniziata, l'Oceano Archeano era relativamente caldo e conteneva una grande quantità di ferro in uno stato disciolto", spiega Keller. In circostanze normali, il ferro non è solubile in acqua nella sua forma ossidata, cioè ruggine. Circa quattro miliardi di anni fa c'era, però, quasi nessun ossigeno puro nell'atmosfera o nell'oceano che avrebbe sostenuto l'ossidazione del ferro. Perciò, esistevano grandi quantità di ferro (II), o ferro ferroso, che si scioglie facilmente in acqua. "Abbiamo simulato le condizioni prevalenti nell'oceano Archeano e abbiamo osservato come, ad esempio, fruttosio-6-fosfato, un prodotto intermedio del metabolismo cellulare, reagirebbe in questo ambiente. Una delle cose che abbiamo scoperto è che si converte in glucosio-6-fosfato, esattamente la stessa sequenza di reazioni e vie di reazione come nella cellula vivente. Nelle prime pubblicazioni abbiamo mostrato che ciò avviene in maniera sorprendentemente efficiente con pochissime reazioni collaterali. Il risultato è esattamente le molecole giuste".

Prima i processi metabolici, enzimi dopo

Per questa ragione, l'Oceano Archeano era un ambiente assolutamente ideale per queste antichissime reazioni metaboliche. E qui sta la soluzione a questo particolare problema della gallina o dell'uovo:le vie metaboliche chimiche c'erano per prime, e gli enzimi sviluppati in seguito. Keller è stato in grado solo di recente di dimostrare una situazione simile per il "ciclo dell'acido citrico" (CAC), un'altra parte importante del metabolismo cellulare. Le sue reazioni individuali possono anche essere eseguite in assenza di enzimi. Analogo alle cellule moderne, dove la glicolisi e il CAC, che si trova nei mitocondri cellulari, correre separatamente in ambienti diversi, anche le loro controparti non enzimatiche necessitano di ambienti chimici diversi per funzionare in modo efficace. In questo modo, il ricercatore ha mostrato che le osservazioni fatte in relazione alla glicolisi si applicavano anche ad altre importanti vie metaboliche.

Nuovi metodi innescano idee

Keller è stato in grado di fare queste osservazioni utilizzando metodi di spettrometria di massa che ha sviluppato durante la sua borsa di studio Schrödinger presso l'Università di Cambridge. La spettrometria di massa è un metodo di misurazione estremamente sensibile che implica la scomposizione di sostanze nelle loro singole molecole o atomi per determinarne la massa. Keller originariamente ha esaminato come i componenti delle cellule di lievito potrebbero essere analizzati mediante spettrometria di massa, poiché non solo era estremamente preciso, ma prometteva anche ulteriori vantaggi rispetto ad altri metodi. Il lievito è uno dei più importanti organismi modello della biologia, e il lavoro di Keller era la ricerca di base con l'obiettivo di sviluppare una metodologia per altri tipi di ricerca. Ha sviluppato l'idea di guardare all'origine evolutiva del metabolismo cellulare insieme al microbiologo Markus Ralser, capo del gruppo di ricerca di Cambridge di cui Keller era membro. Hanno anche chiesto ad Alexandra Turchyn, un esperto di oceani Archeani, per unirsi a loro e ha pubblicato il primo documento su questo tema.

Importanti osservazioni a margine

"In realtà non avevo mai pianificato che la mia ricerca andasse in questa direzione", dice Keller. "Anche lo studio iniziale fatto sul metabolismo del lievito è ora in attesa di pubblicazione. Ma era importante che avessi la libertà di esaminare queste cose. All'inizio era solo una linea secondaria". Keller sottolinea che alcuni di questi effetti sono stati probabilmente misurati in altri studi come effetti secondari, ma non sono stati riportati in dettaglio. "Queste reazioni si verificano ancora oggi nelle cellule", osserva Keller. Incoraggia i gruppi attivi in ​​questo campo a dare un'occhiata più da vicino a ciò che possono interpretare erroneamente come errori di misurazione.