In un sistema con molecole autoreplicanti, precedentemente dimostrato di avere la capacità di crescere, dividere ed evolvere, i chimici dell'Università di Groningen hanno ora scoperto capacità catalitiche che si traducono in un metabolismo di base. Per di più, hanno collegato un colorante fotosensibile alle molecole, che ha permesso loro di utilizzare l'energia della luce per alimentare la crescita. Questi risultati, che avvicinano di un passo la vita artificiale, sono stati pubblicati contemporaneamente sulle riviste Chimica della natura e Catalisi della natura il 26 giugno.

Dieci anni fa, Sijbren Otto, Professore di Chimica dei Sistemi presso lo Stratingh Institute for Chemistry dell'Università di Groningen, scoperto un nuovo meccanismo per l'autoreplicazione:piccole molecole contenenti peptidi in soluzione formano anelli che successivamente formano pile in crescita. Quando una pila si rompe, entrambe le metà ricominciano a crescere. Per di più, la crescita delle pile esaurisce il numero di anelli in soluzione e questo, a sua volta, stimola la formazione di nuovi anelli dai mattoni. Il sistema potrebbe anche "mutare" quando sono stati aggiunti diversi elementi costitutivi.

Scoperta sbalorditiva

Questo sistema, che è sorto spontaneamente, è una forma di proto-vita artificiale. "La definizione di vita è complessa ma in generale, la vita dovrebbe avere tre proprietà fondamentali, " spiega Otto. "Il primo è la replica, e questo accade nel nostro sistema. Il secondo è il metabolismo, che dovrebbe creare elementi costitutivi dai materiali nell'ambiente. E il terzo è la compartimentazione, che separa l'organismo vivente dall'ambiente circostante." Infine, tali organismi dovrebbero sviluppare un quarto, proprietà più avanzata, che è la capacità di evolvere e inventare.

Otto e il suo team hanno deciso di apportare modifiche alle loro molecole per aggiungere capacità catalitiche. "Però, quando abbiamo iniziato il progetto, abbiamo fatto una scoperta sbalorditiva. Senza richiedere alcuna modifica, il sistema ha già mostrato la catalisi; non l'avevamo notato prima." Gli stack crescono da anelli composti da sei elementi costitutivi. Questi anelli sono formati combinando i blocchi costitutivi di anelli più piccoli composti da tre o quattro elementi costitutivi.

Evoluzione

"Si è scoperto che le pile di anelli catalizzano la formazione degli anelli più piccoli, " dice Otto. Ulteriori analisi hanno mostrato che la catalisi di questa reazione richiede la presenza di due specifici residui di amminoacidi (due residui di lisina). "Né i mattoni né gli anelli separati hanno capacità catalitiche, ma le pile sì. Quindi assumiamo che in questi stack, sorge una configurazione 3-D di questi residui di lisina che funge da centro catalitico, proprio come le proteine ​​modellano i siti attivi posizionando i residui di amminoacidi in disposizioni altamente specifiche, " spiega Otto. Così, nelle strutture che emergono per la loro capacità di autoreplicarsi, gli amminoacidi si organizzano in modo tale da poter agire da catalizzatori.

Gli stack sono anche capaci di catalisi retro-aldolica, una reazione ben nota che viene spesso utilizzata per confrontare gli sforzi di progettazione del catalizzatore. "Interessante, le nostre pile, che non sono stati progettati per avere capacità catalitiche, erano efficienti quanto i catalizzatori meglio progettati che conosciamo." Scoprire che gli stessi stack possono catalizzare due reazioni molto diverse è interessante. Molti enzimi hanno questa capacità, che dà all'evoluzione la possibilità di sviluppare qualcosa di nuovo.

Metabolismo

In un secondo studio, è stato aggiunto un colorante fotosensibile. "Guille Monreal, uno dei miei dottorati studenti, leggere che un tale colorante potrebbe stimolare la formazione di ossigeno singoletto reattivo nei peptidi amiloidi. Poiché l'ossigeno reattivo guida importanti passaggi nella formazione dell'anello, voleva vedere se questo avrebbe accelerato la formazione degli anelli." Sono stati trovati due diversi coloranti che in effetti accelerano la formazione degli anelli quando esposti alla luce, ma solo quando erano legati ai catastali. "I coloranti sembravano agire come cofattori per gli stack, proprio come le proteine ​​moderne usano i cofattori per la loro catalisi, " dice Otto. Quando è legato alle fibre che si replicano, il colorante può utilizzare l'energia della luce per creare ossigeno singoletto reattivo e quindi aumentare la formazione di nuovi anelli.

Sia la catalisi spontanea da parte degli stack che la catalisi mediata dal cofattore determinano una sorta di metabolismo che è legato alla replicazione. "Non è ancora il tipo di metabolismo che vedi negli organismi viventi, " spiega Otto. "Nel nostro sistema, la catalisi accelera semplicemente le reazioni che avverrebbero lentamente senza aiuto. Nella vita, il metabolismo guida anche reazioni che altrimenti non si verificherebbero".

Vita artificiale

Però, Il sistema artificiale di Otto mostra sia la replicazione che una forma primitiva di metabolismo. "Per di più, da questo punto, la compartimentazione è un passo relativamente piccolo." Quindi, è vicino a vedere la vita artificiale evolversi nelle sue provette? "Non proprio, " ammette Otto. "Ciò richiederebbe che il sistema sia capace di un'evoluzione illimitata, il che significa che può evolvere capacità che non sono presenti nel sistema. E non abbiamo ancora un'idea chiara di come farlo. Ma il nostro sistema sembra essere una solida base da cui possiamo arrivarci".