La vita sulla Terra è sorta circa 4 miliardi di anni fa, quando le prime cellule si sono formate all'interno di un brodo primordiale di complessi, composti chimici ricchi di carbonio.

Queste cellule hanno affrontato un enigma chimico. Avevano bisogno di ioni particolari dalla zuppa per svolgere le funzioni di base. Ma quegli ioni carichi avrebbero distrutto le semplici membrane che incapsulavano le cellule.

Un team di ricercatori dell'Università di Washington ha risolto questo enigma utilizzando solo molecole che sarebbero state presenti sulla Terra primordiale. Usando le dimensioni delle celle, compartimenti pieni di liquido circondati da membrane costituite da molecole di acidi grassi, il team ha scoperto che gli amminoacidi, gli elementi costitutivi delle proteine, può stabilizzare le membrane contro gli ioni magnesio. I loro risultati hanno posto le basi per le prime cellule a codificare le loro informazioni genetiche nell'RNA, una molecola legata al DNA che richiede magnesio per la sua produzione, mantenendo la stabilità della membrana.

Le scoperte, pubblicato la settimana del 12 agosto nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , andare oltre a spiegare come gli amminoacidi potrebbero aver stabilizzato le membrane in ambienti sfavorevoli. Dimostrano anche come i singoli elementi costitutivi delle strutture cellulari:membrane, proteine ​​e RNA potrebbero essersi co-localizzati all'interno di ambienti acquosi sulla Terra antica.

"Le cellule sono costituite da tipi molto diversi di strutture con tipi completamente diversi di elementi costitutivi, e non è mai stato chiaro perché si unissero in modo funzionale, " ha detto l'autore corrispondente Roy Black, un professore affiliato alla UW di chimica e bioingegneria. "Il presupposto era che, in qualche modo, si fossero uniti."

Black è arrivato all'UW dopo una carriera all'Amgen per l'opportunità di riempire il cruciale, dettagli mancanti dietro quel "in qualche modo". Ha collaborato con Sarah Keller, un professore di chimica UW ed esperto di membrane. Black era stato ispirato dall'osservazione che le molecole di acidi grassi possono autoassemblarsi per formare membrane, e ipotizzato che queste membrane potrebbero agire come una superficie favorevole per assemblare i mattoni di RNA e proteine.

"Puoi immaginare diversi tipi di molecole che si muovono all'interno della zuppa primordiale come palline da tennis sfocate e palle da squash dure che rimbalzano in una grande scatola che viene agitata, " ha detto Keller, che è anche co-autore corrispondente sulla carta. "Se allinei una superficie all'interno della scatola con il velcro, allora solo le palline da tennis si attaccheranno a quella superficie, e finiranno per stare vicini. Roy ha avuto l'intuizione che le concentrazioni locali di molecole potrebbero essere migliorate da un meccanismo simile".

Il team ha precedentemente dimostrato che gli elementi costitutivi dell'RNA si attaccano preferenzialmente alle membrane degli acidi grassi e, sorprendentemente, stabilizzano anche le fragili membrane contro gli effetti dannosi del sale, un composto comune sulla Terra passato e presente.

Il team ha ipotizzato che gli amminoacidi potrebbero anche stabilizzare le membrane. Hanno usato una varietà di tecniche sperimentali, tra cui la microscopia ottica, microscopia elettronica e spettroscopia, per testare come 10 diversi amminoacidi hanno interagito con le membrane. I loro esperimenti hanno rivelato che alcuni amminoacidi si legano alle membrane e le stabilizzano. Alcuni amminoacidi hanno persino innescato grandi cambiamenti strutturali nelle membrane, come formare sfere concentriche di membrane, molto simili agli strati di una cipolla.

"Gli amminoacidi non stavano solo proteggendo le vescicole dalla distruzione degli ioni di magnesio, ma hanno anche creato vescicole multistrato, come membrane annidate, " ha detto l'autore principale Caitlin Cornell, uno studente di dottorato UW presso il Dipartimento di Chimica.

I ricercatori hanno anche scoperto che gli amminoacidi stabilizzano le membrane attraverso cambiamenti di concentrazione. Alcuni scienziati hanno ipotizzato che le prime cellule possano essersi formate all'interno di bacini poco profondi che hanno attraversato cicli di alte e basse concentrazioni di amminoacidi quando l'acqua evaporava e quando veniva lavata nuova acqua.

Le nuove scoperte che gli amminoacidi proteggono le membrane, così come i risultati precedenti che mostrano che i mattoni dell'RNA possono svolgere un ruolo simile, indicano che le membrane potrebbero essere state un sito per la co-localizzazione di queste molecole precursori, fornendo un potenziale meccanismo per spiegare cosa ha riunito gli ingredienti per la vita.

Keller, Black e il loro team rivolgeranno la loro attenzione al modo in cui i blocchi co-localizzati hanno fatto qualcosa di ancora più notevole:si sono legati l'uno all'altro per formare macchine funzionali.

"Questo è il prossimo passo, " disse Nero.

I loro sforzi in corso stanno anche creando legami tra le discipline presso l'UW.

"L'Università di Washington è un luogo insolitamente buono per fare scoperte grazie all'entusiasmo della comunità scientifica di lavorare in modo collaborativo per condividere attrezzature e idee tra dipartimenti e campi, " ha detto Keller. "Le nostre collaborazioni con il Drobny Lab e il Lee Lab sono state essenziali. Nessun singolo laboratorio avrebbe potuto fare tutto".