Circa 4 miliardi di anni fa, la Terra stava sviluppando condizioni adatte alla vita. Gli studiosi dell’origine della vita spesso si chiedono se il tipo di chimica trovata sulla Terra primordiale fosse simile a ciò che la vita richiede oggi. Sanno che gli accumuli sferici di grassi, chiamati protocellule, furono i precursori delle cellule durante questa emergenza della vita. Ma come sono nate e come si sono diversificate le protocellule semplici per dare vita alla vita sulla Terra?
Ora, gli scienziati di Scripps Research hanno scoperto un percorso plausibile su come le protocellule potrebbero essersi formate e progredite chimicamente per consentire una varietà di funzioni.
I risultati, pubblicati online il 29 febbraio 2024 sulla rivista Chem , suggeriscono che un processo chimico chiamato fosforilazione (in cui i gruppi fosfato vengono aggiunti alla molecola) potrebbe essersi verificato prima di quanto precedentemente previsto. Ciò porterebbe a protocellule strutturalmente più complesse, a doppia catena, in grado di ospitare reazioni chimiche e dividersi con una vasta gamma di funzionalità. Rivelando come si sono formate le protocellule, gli scienziati possono comprendere meglio come potrebbe aver avuto luogo l'evoluzione iniziale.
"Ad un certo punto, ci chiediamo tutti da dove veniamo. Ora abbiamo scoperto un modo plausibile secondo cui i fosfati avrebbero potuto essere incorporati in strutture simili a cellule prima di quanto si pensasse in precedenza, il che pone le basi per la vita", afferma Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., autore senior co-corrispondente e professore presso il Dipartimento di Chimica della Scripps Research.
"Questa scoperta ci aiuta a comprendere meglio gli ambienti chimici della Terra primordiale in modo da poter scoprire le origini della vita e come la vita può evolversi sulla Terra primordiale."
Krishnamurthy e il suo team studiano come si sono verificati i processi chimici che hanno causato le semplici sostanze chimiche e le formazioni che erano presenti prima dell'emergere della vita nella Terra prebiotica. Krishnamurthy è anche co-leader di un'iniziativa della NASA che indaga su come la vita è emersa da questi primi ambienti.
In questo studio, Krishnamurthy e il suo team hanno collaborato con il laboratorio del biofisico della materia soffice Ashok Deniz, Ph.D., co-autore senior e professore presso il Dipartimento di biologia strutturale e computazionale integrativa presso Scripps Research. Hanno cercato di esaminare se i fosfati potessero essere stati coinvolti durante la formazione delle protocellule. I fosfati sono presenti in quasi tutte le reazioni chimiche del corpo, quindi Krishnamurthy sospettava che potessero essere presenti prima di quanto si credesse in precedenza.
Gli scienziati pensavano che le protocellule si formassero da acidi grassi, ma non era chiaro come le protocellule passassero da una catena singola a una doppia catena di fosfati, che è ciò che consente loro di essere più stabili e di ospitare reazioni chimiche.
Gli scienziati volevano imitare condizioni prebiotiche plausibili, ovvero gli ambienti che esistevano prima della comparsa della vita. Per prima cosa hanno identificato tre probabili miscele di sostanze chimiche che potrebbero potenzialmente creare vescicole, strutture sferiche di lipidi simili alle protocellule.
Le sostanze chimiche utilizzate includevano acidi grassi e glicerolo (un sottoprodotto comune della produzione di sapone che potrebbe essere esistito durante la Terra primordiale). Successivamente, hanno osservato le reazioni di queste miscele e hanno aggiunto ulteriori sostanze chimiche per creare nuove miscele. Queste soluzioni sono state raffreddate e riscaldate ripetutamente durante la notte con qualche agitazione per favorire le reazioni chimiche.
Hanno quindi utilizzato coloranti fluorescenti per ispezionare le miscele e giudicare se si fosse verificata la formazione di vescicole. In alcuni casi, i ricercatori hanno anche variato il pH e i rapporti dei componenti per comprendere meglio l’impatto di questi fattori sulla formazione delle vescicole. Hanno anche esaminato l'effetto degli ioni metallici e della temperatura sulla stabilità delle vescicole.
"Le vescicole sono state in grado di passare da un ambiente di acidi grassi a un ambiente di fosfolipidi durante i nostri esperimenti, suggerendo che un ambiente chimico simile avrebbe potuto esistere 4 miliardi di anni fa", afferma il primo autore Sunil Pulletikurti, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Krishnamurthy.
Si scopre che gli acidi grassi e il glicerolo potrebbero aver subito la fosforilazione per creare quella struttura a doppia catena più stabile. In particolare, gli esteri degli acidi grassi derivati dal glicerolo potrebbero aver portato a vescicole con diverse tolleranze agli ioni metallici, alle temperature e al pH:un passo fondamentale nella diversificazione dell'evoluzione.
"Abbiamo scoperto un percorso plausibile su come i fosfolipidi potrebbero essere emersi durante questo processo evolutivo chimico", afferma Deniz. "È emozionante scoprire come le prime sostanze chimiche potrebbero essere passate per consentire la vita sulla Terra. I nostri risultati suggeriscono anche una ricchezza di fisica intrigante che potrebbe aver giocato un ruolo funzionale chiave lungo il percorso verso le cellule moderne."
Successivamente, gli scienziati intendono esaminare il motivo per cui alcune vescicole si sono fuse mentre altre si sono divise per comprendere meglio i processi dinamici delle protocellule.
Ulteriori informazioni: Modellazione sperimentale dell'emergenza di vescicole fosfolipidiche prebioticamente plausibili, Chem (2024). DOI:10.1016/j.chempr.2024.02.007. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00069-X
Informazioni sul giornale: Chimica
Fornito da The Scripps Research Institute
