Tutta la vita moderna usa l'energia per riprodursi. Durante questo processo, gli organismi costruiscono e scompongono molecole più grandi come grassi e zuccheri utilizzando un insieme straordinariamente comune di molecole di vettori energetici intermedi reattivi. Questi vettori energetici intermedi (ad esempio, ATP) spesso non sono elementi costitutivi in ​​sé e per sé, ma consentono l'accoppiamento energetico tra reazioni separate necessarie per far avanzare la riproduzione cellulare.

Una classe di questi composti sono i tioesteri, composti chimici che contengono un legame carbonio-zolfo ad alta energia. I ricercatori hanno ipotizzato da tempo che i tioesteri potrebbero essere tra le versioni più antiche di tali intermedi reattivi metabolici, in parte perché gli organismi moderni usano ancora i tioesteri per scomporre gli zuccheri e produrre proteine ​​dagli amminoacidi. Come si sarebbero potuti sviluppare composti intermedi reattivi come i tioesteri prima che la vita si evolvesse, o mentre la prima vita faceva i suoi primi passi da bambino, resta avvolto nel mistero.

Un nuovo lavoro dei ricercatori dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology mostra che un semplice composto trovato in alcuni moderni gas vulcanici, un tioacido (un composto formato da un acido organico e acido solfidrico), reagisce prontamente con semplici composti tiolici contenenti zolfo simili a quelli fondamentali per il metabolismo moderno per formare tioesteri reattivi simili a quelli trovati nella biologia moderna. Questa reazione avviene facilmente in acqua e potrebbe essere servita come punto di partenza per l'evoluzione della biochimica più complessa. Durante la ricerca, i ricercatori hanno scoperto che quando includevano il ferro nelle loro reazioni (che è molto abbondante sulla Terra), le rese del prodotto di reazione sono aumentate.

Il team suggerisce che ciò potrebbe significare un accoppiamento energetico tra più reazioni, in cui una reazione ne spinge un'altra in avanti, può avere le sue origini nella chimica ambientale non vivente. Sorprendentemente, hanno anche scoperto che un prodotto collaterale della reazione può essere utilizzato per creare un secondo tipo di composto versatile per l'accoppiamento energetico richiesto da tutti gli esseri viventi:i cluster FeS (abbreviazione di ferro-zolfo). Questi sono piccoli aggregati di pochi atomi ciascuno di ferro e zolfo, che aiutano gli organismi a metabolizzare mentre spostano gli elettroni da una molecola all'altra. Un esempio importante di tale percorso che utilizza cluster di FeS è la fotosintesi, che trasferisce elettroni dall'acqua alla CO ₂ per produrre zuccheri e ossigeno. Questo lavoro fornisce quindi una nuova comprensione di come molecole ad alta energia e reazioni di trasferimento di elettroni potrebbero essere state prodotte naturalmente durante l'evoluzione del metabolismo iniziale.

Sebbene gli scienziati abbiano cercato per un po' di tempo di capire le origini dei mattoni della vita, è stato fatto poco sforzo per capire come il trasferimento di energia abbia avuto origine nella chimica prebiotica. Comprendere questo scambio di energia potrebbe essere importante quanto capire l'origine dei mattoni, così il team ELSI ha deciso di cercare reazioni che potessero essere accoppiate insieme energeticamente.

L'autore principale Sebastian Sanden afferma:"Stavamo già studiando i minerali FeS, e sapevamo quanto fosse facile la loro formazione, quindi volevamo vedere se potevamo accoppiare questa energia sprecata in eccesso a un'altra reazione." Il tioacido che hanno studiato inizialmente contiene zolfo, che sapevano che allora doveva solo essere reagito con il ferro per creare i cluster FeS che stavano già studiando.

Gli esperimenti e le analisi eseguiti dai ricercatori ELSI dovevano essere eseguiti in rapida successione per monitorare l'andamento della reazione. Hanno sviluppato tecniche per farlo, e quindi sono stati in grado di determinare la velocità con cui queste reazioni sono avvenute. I loro esperimenti preliminari per la produzione di tioesteri non sono andati avanti così rapidamente come speravano inizialmente, ma aggiungendo un catalizzatore e aumentando la temperatura, hanno scoperto che le rese massime di tioestere sono state ottenute in meno di un'ora, invece di pochi giorni prima di apportare queste modifiche.

Il team pensa che sia particolarmente affascinante che questo tipo di reazioni possa creare "reazioni a cascata, " che formano molecole sempre più complesse:il piruvato si decompone, aiutando a formare un tioestere, che quindi consente ai peptidi (cugini più piccoli delle proteine) di formarsi attraverso la via del tioestere appena scoperta. Il team spera di testarlo sperimentalmente in seguito e di creare un sistema in grado di aumentare da solo il numero di componenti che contiene, forse fino all'autoriproduzione.

Infatti, alcuni microbi moderni usano la decomposizione del piruvato e la formazione di tioesteri assistiti da cluster di FeS nel loro metabolismo, ed è possibile che le reazioni scoperte dal team ricapitolino come le ha scoperte l'evoluzione prebiologica o biologica. Investigatore capo, Professore associato ELSI Shawn McGlynn, dice, "Questo lavoro fornisce nuove connessioni tra più componenti di reazione prebiotica che potrebbero essere stati fondamentali per stabilire il metabolismo energetico precoce sulla Terra".

Sebbene questo lavoro possa gettare nuova luce su come le reazioni di scambio energetico naturali possano aver aiutato a far ripartire il metabolismo, può essere importante anche per il campo della chimica verde, che si occupa di trovare i metodi più energeticamente efficaci e rispettosi dell'ambiente per produrre composti chimici. Mentre i metalli pesanti tossici come il cadmio e il mercurio e i solventi come il cloroformio sono spesso usati nella chimica organica industriale, le reazioni scoperte da questo gruppo di ricerca sono molto efficienti e funzionano in acqua utilizzando ferro atossico come catalizzatore.