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Quattro miliardi di anni fa, la Terra aveva un aspetto molto diverso da come appare oggi, priva di vita e ricoperta da un vasto oceano. Nel corso di milioni di anni, in quel brodo primordiale, è emersa la vita. I ricercatori hanno a lungo teorizzato come le molecole si siano unite per innescare questa transizione. Ora, gli scienziati della Scripps Research hanno scoperto una nuova serie di reazioni chimiche che utilizzano cianuro, ammoniaca e anidride carbonica, tutti ritenuti comuni sulla terra primordiale, per generare amminoacidi e acidi nucleici, i mattoni delle proteine e del DNA.
"Abbiamo escogitato un nuovo paradigma per spiegare questo passaggio dalla chimica prebiotica a quella biotica", afferma Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., professore associato di chimica presso Scripps Research e autore principale del nuovo articolo, pubblicato il 28 luglio , 2022 sulla rivista Nature Chemistry . "Pensiamo che il tipo di reazioni che abbiamo descritto siano probabilmente ciò che sarebbe potuto accadere sulla terra primordiale."
Oltre a fornire ai ricercatori informazioni sulla chimica della terra primordiale, le reazioni chimiche scoperte di recente sono utili anche in alcuni processi di produzione, come la generazione di biomolecole etichettate su misura da materiali di partenza poco costosi.
All'inizio di quest'anno, il gruppo di Krishnamurthy ha mostrato come il cianuro può attivare le reazioni chimiche che trasformano le molecole prebiotiche e l'acqua in composti organici di base necessari per la vita. A differenza delle reazioni proposte in precedenza, questa ha funzionato a temperatura ambiente e in un ampio intervallo di pH. I ricercatori si sono chiesti se, nelle stesse condizioni, esistesse un modo per generare amminoacidi, molecole più complesse che compongono le proteine in tutte le cellule viventi conosciute.
Nelle cellule di oggi, gli amminoacidi sono generati da precursori chiamati α-chetoacidi utilizzando sia l'azoto che proteine specializzate chiamate enzimi. I ricercatori hanno trovato prove che gli α-chetoacidi probabilmente esistevano all'inizio della storia della Terra. Tuttavia, molti hanno ipotizzato che prima dell'avvento della vita cellulare, gli amminoacidi dovessero essere stati generati da precursori completamente diversi, le aldeidi, piuttosto che da α-chetoacidi, poiché gli enzimi per effettuare la conversione non esistevano ancora. Ma quell'idea ha portato al dibattito su come e quando è avvenuto il passaggio dalle aldeidi agli α-chetoacidi come ingrediente chiave per la produzione di amminoacidi.
Dopo il successo ottenuto usando il cianuro per guidare altre reazioni chimiche, Krishnamurthy e i suoi colleghi sospettavano che il cianuro, anche senza enzimi, potesse anche aiutare a trasformare gli α-chetoacidi in amminoacidi. Poiché sapevano che in qualche modo sarebbe stato necessario l'azoto, aggiunsero l'ammoniaca, una forma di azoto che sarebbe stata presente sulla terra primordiale. Poi, attraverso tentativi ed errori, hanno scoperto un terzo ingrediente chiave:l'anidride carbonica. Con questa miscela, hanno iniziato rapidamente a vedere la formazione di aminoacidi.
"Ci aspettavamo che fosse abbastanza difficile capirlo, e si è rivelato ancora più semplice di quanto avessimo immaginato", afferma Krishnamurthy. "Se mescoli solo l'acido cheto, il cianuro e l'ammoniaca, rimane lì. Non appena aggiungi anidride carbonica, anche tracce, la reazione prende velocità."
Poiché la nuova reazione è relativamente simile a ciò che accade oggi all'interno delle cellule, tranne per essere guidata dal cianuro invece che da una proteina, sembra più probabile che sia la fonte dei primi anni di vita, piuttosto che reazioni drasticamente diverse, affermano i ricercatori. La ricerca aiuta anche a riunire due aspetti di un dibattito di lunga data sull'importanza dell'anidride carbonica per i primi anni di vita, concludendo che l'anidride carbonica era fondamentale, ma solo in combinazione con altre molecole.
Durante lo studio della loro zuppa chimica, il gruppo di Krishnamurthy ha scoperto che un sottoprodotto della stessa reazione è l'orotato, un precursore dei nucleotidi che compongono il DNA e l'RNA. Ciò suggerisce che la stessa zuppa primordiale, nelle giuste condizioni, potrebbe aver dato origine a un gran numero di molecole necessarie per gli elementi chiave della vita.
"Quello che vogliamo fare dopo è continuare a sondare quale tipo di chimica può emergere da questa miscela", afferma Krishnamurthy. "Gli amminoacidi possono iniziare a formare piccole proteine? Una di queste proteine potrebbe tornare e iniziare ad agire come un enzima per produrre più di questi amminoacidi?"
Oltre a Krishnamurthy, gli autori dello studio, "Sintesi prebiotica di α-aminoacidi e Orotate from α-Ketoacids Potentiates Transition to Extant Metabolic Pathways", sono Sunil Pulletikurti, Mahipal Yadav e Greg Springsteen. + Esplora ulteriormente
