L’origine della vita sulla Terra è stata a lungo un mistero che sfuggiva agli scienziati. Una domanda chiave è quanta parte della storia della vita sulla Terra è andata perduta nel tempo. È abbastanza comune che una singola specie "elimini gradualmente" utilizzando una reazione biochimica e, se ciò accade a un numero sufficiente di specie, tali reazioni potrebbero essere effettivamente "dimenticate" dalla vita sulla Terra.
Ma se la storia della biochimica è piena di reazioni dimenticate, ci sarebbe un modo per dirlo? Questa domanda ha ispirato i ricercatori dell’Earth-Life Science Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology e del California Institute of Technology (CalTech) negli Stati Uniti. Sostenevano che la chimica dimenticata sarebbe apparsa come discontinuità o "interruzioni" nel percorso che la chimica prende dalle semplici molecole geochimiche alle complesse molecole biologiche.
La Terra primordiale era ricca di composti semplici come l’idrogeno solforato, l’ammoniaca e l’anidride carbonica, molecole solitamente non associate al sostentamento della vita. Ma, miliardi di anni fa, gli albori della vita dipendevano da queste semplici molecole come fonte di materia prima. Con l’evoluzione della vita, i processi biochimici hanno gradualmente trasformato questi precursori in composti presenti ancora oggi. Questi processi rappresentano le prime vie metaboliche.
Per modellare la storia della biochimica, i ricercatori dell'ELSI - il professore associato appositamente nominato Harrison B. Smith, il professore associato appositamente nominato Liam M. Longo e il professore associato Shawn Erin McGlynn, in collaborazione con il ricercatore Joshua Goldford del CalTech - avevano bisogno di un inventario di tutte le reazioni biochimiche conosciute, per capire quali tipi di chimica la vita è in grado di compiere.
Si sono rivolti al database dell’Enciclopedia dei geni e dei genomi di Kyoto, che ha catalogato più di 12.000 reazioni biochimiche. Con le reazioni in mano, hanno iniziato a modellare lo sviluppo graduale del metabolismo.
I precedenti tentativi di modellare l’evoluzione del metabolismo in questo modo erano costantemente falliti nel produrre le molecole più diffuse e complesse utilizzate dalla vita contemporanea. Tuttavia, il motivo non era del tutto chiaro. Proprio come prima, quando i ricercatori hanno eseguito il loro modello, hanno scoperto che potevano essere prodotti solo pochi composti. La ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Ecology &Evolution .
Un modo per aggirare questo problema è quello di spostare la chimica in stallo fornendo manualmente composti moderni. I ricercatori hanno optato per un approccio diverso:volevano determinare quante reazioni mancavano. E la loro ricerca li ha riportati a una delle molecole più importanti di tutta la biochimica:l'adenosina trifosfato (ATP).
L'ATP è la valuta energetica della cellula perché può essere utilizzata per guidare reazioni, come la costruzione di proteine, che altrimenti non si verificherebbero nell'acqua. L'ATP, tuttavia, ha una proprietà unica:le reazioni che formano l'ATP richiedono ATP. In altre parole, a meno che l’ATP non sia già presente, non c’è altro modo nella vita odierna di produrre ATP. Questa dipendenza ciclica era la ragione per cui il modello si fermava.
Come si potrebbe risolvere questo "collo di bottiglia dell'ATP"? A quanto pare, la porzione reattiva dell'ATP è notevolmente simile al composto inorganico polifosfato. Consentendo alle reazioni che generano ATP di utilizzare il polifosfato invece dell'ATP, modificando solo otto reazioni in totale, si potrebbe ottenere quasi tutto il metabolismo centrale contemporaneo. I ricercatori hanno quindi potuto stimare l'età relativa di tutti i metaboliti comuni e porre domande mirate sulla storia delle vie metaboliche.
Una di queste domande è se i percorsi biologici siano stati costruiti in modo lineare – in cui una reazione dopo l’altra si aggiunge in modo sequenziale – o se le reazioni dei percorsi siano emerse come un mosaico, in cui reazioni di età molto diverse sono unite insieme per formare un mosaico. formare qualcosa di nuovo. I ricercatori sono stati in grado di quantificarlo, scoprendo che entrambi i tipi di percorsi sono quasi ugualmente comuni in tutto il metabolismo.
Ma tornando alla domanda che ha ispirato lo studio:quanta biochimica è andata perduta nel tempo? "Forse non lo sapremo mai esattamente, ma la nostra ricerca ha prodotto una prova importante:sono necessarie solo otto nuove reazioni, tutte che ricordano le comuni reazioni biochimiche, per collegare geochimica e biochimica", afferma Smith.
"Ciò non prova che lo spazio mancante alla biochimica sia piccolo, ma dimostra che anche le reazioni che si sono estinte possono essere riscoperte grazie agli indizi lasciati dalla biochimica moderna", conclude Smith.
Ulteriori informazioni: Joshua E. Goldford et al, La biosintesi primitiva delle purine collega la geochimica antica al metabolismo moderno, Ecologia naturale ed evoluzione (2024). DOI:10.1038/s41559-024-02361-4
Informazioni sul giornale: Natura, ecologia ed evoluzione
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
