La Terra non ha sempre ospitato la vita. Ma circa 4 miliardi di anni fa, qualcosa nell'ambiente è cambiato, e cominciarono ad emergere sistemi con proprietà biologiche. Molti scienziati ritengono che una vivace danza di molecole chiamate amminoacidi sia in parte responsabile del cambiamento:molecole collegate, si sono separati e alla fine si sono uniti per formare la vita come la conosciamo.

Potremmo non sapere mai esattamente come funzionava il processo, ma i chimici oggi hanno fatto nuove scoperte che si basano su teorie promettenti su come si è formata la vita.

"Come la chimica abbia portato alla vita complessa è una delle domande più affascinanti che l'umanità si sia posta, "dice Luke Leman, dottorato di ricerca, assistente professore di chimica presso Scripps Research. "Ci sono molte teorie sulle origini delle proteine, ma non così tanto il supporto di laboratorio sperimentale per queste idee".

Leman ha recentemente co-condotto uno studio sulla ricetta stessa per la vita sulla Terra primordiale; la ricerca è pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Ha lavorato a stretto contatto con i ricercatori del Georgia Institute of Technology e del Center for Chemical Evolution, che è supportato dalla National Science Foundation e dalla NASA.

"La ricerca ci aiuta a capire come i peptidi caricati positivamente potrebbero essersi formati sulla terra pre-biotica, "dice Moran Frenkel-Pinter, dottorato di ricerca, un borsista post-dottorato presso la Georgia Tech e primo autore del documento. I peptidi sono prodotti quando due o più blocchi di aminoacidi si collegano, portando alle proteine ​​che compongono ogni organismo.

Lemano, Frenkel-Pinter e molti altri scienziati in questo campo trovano strano che ogni essere vivente sul nostro pianeta formi le sue proteine ​​dallo stesso identico insieme di 20 amminoacidi. Perché quel set specifico? Gli scienziati sanno che ci sono molti più aminoacidi là fuori. Infatti, meteoriti con fino a 80 amminoacidi sono atterrati sulla Terra.

"Nella Terra prebiotica, ci sarebbe stato un insieme molto più grande di amminoacidi, "dice Leman, che è anche collaboratore scientifico presso il Center for Chemical Evolution. "C'è qualcosa di speciale in questi 20 amminoacidi, o questi si sono semplicemente congelati in un momento nel tempo dall'evoluzione?"

Il nuovo studio suggerisce che la dipendenza della vita da questi 20 amminoacidi non è casuale. I ricercatori mostrano che i tipi di amminoacidi utilizzati nelle proteine ​​hanno maggiori probabilità di legarsi insieme perché reagiscono insieme in modo più efficiente e hanno poche reazioni collaterali inefficienti.

Questa scoperta offre ai ricercatori uno sguardo indietro nel tempo e un modello funzionante per testare ulteriori teorie sulle origini della vita. Capire come si formano i peptidi è importante anche per il campo della chimica sintetica, dove gli scienziati stanno cercando di progettare nuove molecole che possono essere utilizzate per terapie farmacologiche e scienza dei materiali.

"Questo lavoro è un vero passo avanti verso la comprensione del motivo per cui alcuni elementi costitutivi si trovano nelle proteine ​​essenziali per la vita, "dice Kathy Covert, direttore del programma presso i Centers for Chemical Innovation della National Science Foundation, che cofinanzia il Centro per l'evoluzione chimica. "Attraverso ricerche come questa, il Centro sta realizzando la sua ambiziosa missione di far luce sulla chimica dei biopolimeri, fondamento di tutti gli esseri viventi».

Per l'esperimento, i ricercatori hanno confrontato gli amminoacidi "proteici", quelli usati oggi dagli organismi, con gli amminoacidi che non sono presenti negli esseri viventi. I ricercatori sapevano che l'evaporazione dell'acqua avrebbe potuto creare le condizioni necessarie affinché gli amminoacidi si legano insieme sulla Terra primitiva, quindi hanno usato una reazione di essiccazione - l'acqua evapora e viene applicato il calore - per imitare le condizioni naturali che causano la formazione di peptidi da parte degli amminoacidi.

"Con i cicli di riscaldamento e asciugatura, puoi formare catene di amminoacidi simili alle strutture proteiche, "dice Leman.

I loro esperimenti hanno dimostrato che gli amminoacidi proteici hanno maggiori probabilità di legarsi spontaneamente per formare grandi "macromolecole" senza richiedere altri ingredienti, come enzimi o agenti attivanti. Questo legame è un passo importante nella formazione di una proteina.

Gli amminoacidi proteici sembravano preferire la reattività attraverso una parte della loro struttura chiamata alfa-ammina. Si sono formati per lo più lineari, "topologie" di scheletro proteico (formazioni geometriche). Questa tendenza potrebbe aver dato a questi amminoacidi un vantaggio nel ripiegarsi e legarsi, portando infine alle proteine.

Sulla base della chimica che hanno osservato, gli scienziati ora hanno una possibile spiegazione per la selezione degli amminoacidi caricati positivamente che si trovano nelle proteine ​​odierne.

"Questa è una forza trainante puramente chimica che avrebbe potuto portare alla selezione di alcuni amminoacidi rispetto ad altri, "dice Leman.

Loren Williams, dottorato di ricerca, professore alla Georgia Tech e co-leader dello studio, afferma che la ricerca offre ai chimici un punto di partenza per capire come potrebbe essere iniziata la vita sulla Terra primordiale, chiamata anche la Terra dell'Adeo. "Stiamo iniziando a capire come i processi puramente chimici, basati su quelli della Terra dell'Adeo, può produrre molecole che hanno somiglianze sorprendenti con i polimeri biologici, "dice Williams, che è anche membro del CCE.

Andando avanti, i ricercatori vorrebbero studiare come questi amminoacidi interagiscono con l'RNA, l'ingrediente in anticipo che potrebbe aver reso possibile il prossimo passo nell'evoluzione.

"Sarà interessante imparare come questi antenati delle proteine ​​con carica positiva cooperano con molecole con carica negativa come l'RNA, " dice Frenkel-Pinter.