La maggior parte degli sforzi nella ricerca sulle origini della vita si concentra sulla comprensione della formazione prebiotica dei mattoni biologici. Però, è possibile che la prima evoluzione biologica si sia basata su diverse strutture e processi chimici, e questi furono sostituiti gradualmente nel tempo da eoni di evoluzione. Recentemente, chimici Irena Mamajanov, Melina Caudan e Tony Jia dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) in Giappone hanno preso in prestito idee dalla scienza dei polimeri, consegna farmaci, e biomimetica per esplorare questa possibilità. Sorprendentemente, hanno scoperto che anche piccoli polimeri altamente ramificati potrebbero fungere da catalizzatori efficaci, e questi potrebbero aver aiutato la vita a iniziare.

Nella biologia moderna, gli enzimi proteici codificati svolgono la maggior parte del lavoro catalitico nelle cellule. Questi enzimi sono costituiti da polimeri lineari di amminoacidi, che si ripiegano e si ripiegano su se stessi per formare forme tridimensionali fisse. Queste forme preformate consentono loro di interagire in modo molto specifico con le sostanze chimiche di cui catalizzano le reazioni. I catalizzatori aiutano le reazioni a verificarsi molto più rapidamente di quanto farebbero altrimenti, ma non consumarti nella reazione stessa, quindi una singola molecola di catalizzatore può aiutare la stessa reazione a verificarsi molte volte. In questi stati ripiegati tridimensionali, la maggior parte della struttura del catalizzatore non interagisce direttamente con le sostanze chimiche su cui agisce, e aiuta solo la struttura enzimatica a mantenere la sua forma.

Nel presente lavoro, I ricercatori dell'ELSI hanno studiato polimeri iperramificati, strutture ad albero con un alto grado e densità di ramificazione che sono intrinsecamente globulari senza la necessità di ripiegamento informato, richiesto per gli enzimi moderni. polimeri iperramificati, come enzimi, sono in grado di posizionare catalizzatori e reagenti, e modulando la chimica locale in modi precisi.

La maggior parte degli sforzi nella ricerca sulle origini della vita si concentra sulla comprensione della formazione prebiotica delle moderne strutture biologiche e degli elementi costitutivi. La logica è che questi composti esistono ora, e quindi capire come potrebbero essere realizzati nell'ambiente potrebbe aiutare a spiegare come sono nati. Però, conosciamo solo un esempio di vita, e sappiamo che la vita è in continua evoluzione, il che significa che sopravvivono solo le varianti di maggior successo degli organismi. Quindi può essere ragionevole supporre moderno gli organismi potrebbero non essere molto simili al primo organismi, ed è possibile che la chimica prebiotica e la prima evoluzione biologica si siano basate su strutture e processi chimici diversi dalla biologia moderna per riprodursi. In analogia con l'evoluzione tecnologica, i primi televisori a raggi catodici svolgevano più o meno la stessa funzione dei moderni schermi ad alta definizione, ma sono tecnologie fondamentalmente diverse. Una tecnologia ha portato in qualche modo alla creazione dell'altra, ma non era necessariamente il precursore logico e diretto dell'altro.

Se questo modello di "impalcatura" per l'evoluzione biochimica è vero, la domanda diventa che tipo di strutture più semplici, oltre a quelli utilizzati nei sistemi biologici contemporanei, avrebbe potuto aiutare a svolgere lo stesso tipo di funzioni catalitiche richieste dalla vita moderna? Mamajanov e il suo team hanno pensato che i polimeri iperramificati potrebbero essere buoni candidati.

Il team ha sintetizzato alcuni dei polimeri iperramificati che hanno studiato da sostanze chimiche che ci si poteva ragionevolmente aspettare che fossero presenti sulla Terra primordiale prima dell'inizio della vita. Il team ha quindi dimostrato che questi polimeri potrebbero legare piccoli gruppi inorganici di atomi presenti in natura, noti come nanoparticelle di solfuro di zinco. Tali nanoparticelle sono note per essere insolitamente catalitiche da sole.

Come commenta lo scienziato capo Mamajanov, “In questo studio abbiamo provato due diversi tipi di scaffold polimerici iperramificati. Per farli funzionare, tutto quello che dovevamo fare era mescolare una soluzione di cloruro di zinco e una soluzione di polimero, quindi aggiungere solfuro di sodio, e "voilà, " abbiamo ottenuto un catalizzatore a base di nanoparticelle stabile ed efficace.'

La sfida successiva del team era dimostrare che questi ibridi polimero-nanoparticella iperramificati potevano effettivamente fare qualcosa di interessante e catalitico. Hanno scoperto che questi polimeri drogati con solfuro di metallo che degradano piccole molecole erano particolarmente attivi in ​​presenza di luce, in alcuni casi hanno catalizzato la reazione anche di un fattore 20. Come dice Mamajanov, 'Finora abbiamo esplorato solo due possibili scaffold e un solo drogante. Indubbiamente sono tanti, molti altri esempi di questo restano da scoprire.'

I ricercatori hanno inoltre notato che questa chimica potrebbe essere rilevante per un modello delle origini della vita noto come il "mondo dello zinco". Secondo questo modello, il primo metabolismo è stato guidato da reazioni fotochimiche catalizzate da minerali di solfuro di zinco. Pensano che con alcune modifiche, tali scaffold iperramificati potrebbero essere adattati per studiare analoghi di enzimi proteici contenenti ferro o molibdeno, compresi quelli importanti coinvolti nella moderna fissazione dell'azoto biologico. Mamajanov dice, 'L'altra domanda che questo solleva è, supponendo che la vita o il pre-vita usassero questo tipo di processo di impalcatura, perché alla fine la vita si è depositata sugli enzimi? C'è un vantaggio nell'usare polimeri lineari rispetto a quelli ramificati? Come, quando e perché è avvenuta questa transizione?'