I pentosi sono carboidrati essenziali nel metabolismo delle forme di vita moderne, ma la loro disponibilità durante la Terra primordiale non è chiara poiché queste molecole sono instabili.
Un nuovo studio, pubblicato sulla rivista JACS Au e condotto dall’Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology, in Giappone, rivela un percorso chimico compatibile con le condizioni primordiali della Terra e mediante il quale gli aldonati C6 avrebbero potuto agire come fonte di pentosi senza la necessità di enzimi. Le loro scoperte forniscono indizi sulla biochimica primitiva e ci avvicinano alla comprensione delle origini della vita.
L’emergere della vita sulla Terra da semplici sostanze chimiche è uno degli argomenti più interessanti e allo stesso tempo stimolanti della biochimica e forse di tutta la scienza. Le forme di vita moderne possono trasformare i nutrienti in tutti i tipi di composti attraverso complesse reti chimiche; inoltre, possono catalizzare trasformazioni molto specifiche utilizzando enzimi, ottenendo un controllo molto preciso su quali molecole vengono prodotte.
Tuttavia, gli enzimi non esistevano prima che la vita emergesse e diventasse più sofisticata. Pertanto, è probabile che in un momento precedente della storia della Terra esistessero varie reti chimiche non enzimatiche, che potevano convertire i nutrienti ambientali in composti che supportavano funzioni primitive simili a cellule.
La sintesi dei pentosi è un esempio lampante dello scenario di cui sopra. Questi zuccheri semplici, contenenti solo cinque atomi di carbonio, sono gli elementi costitutivi fondamentali dell’RNA e di altre molecole essenziali per la vita come la conosciamo. Gli scienziati hanno proposto e studiato vari modi in cui i pentosi avrebbero potuto essere generati prima dell’origine della vita, ma le teorie attuali pongono la domanda:come potrebbero i pentosi accumularsi in quantità sufficienti per partecipare alle reazioni pre-vita se questi composti hanno una vita estremamente breve?
Per affrontare questa domanda, un gruppo di ricerca guidato dal ricercatore Ruiqin Yi dell’ELSI ha condotto uno studio per trovare una spiegazione alternativa per l’origine e la fornitura sostenuta di pentosi sulla Terra primordiale. Hanno esplorato una rete chimica priva di enzimi in cui gli aldonati C6, che sono carboidrati stabili a sei atomi di carbonio, si accumulano da varie fonti di zuccheri prebiotici e poi si riconvertono in pentosi.
Il percorso chimico proposto inizia con il gluconato, un aldonato C6 stabile che potrebbe essere stato facilmente disponibile sulla Terra primordiale attraverso note trasformazioni prebiotiche degli zuccheri basici. Il passo successivo è l'ossidazione non selettiva dell'aldonato C6 in uronato; qui, il termine "non selettivo" significa che il processo di ossidazione non discrimina tra i vari atomi di carbonio nella struttura aldonata, lasciando cinque possibili risultati di ossidazione.
Attraverso esperimenti e analisi teoriche, i ricercatori hanno approfondito i vari prodotti di ossidazione per comprendere i dettagli della rete di reazioni.
È interessante notare che hanno scoperto che, indipendentemente da dove avviene l'ossidazione, i composti uronati risultanti possono sempre subire una trasformazione intramolecolare nota come "migrazione carbonilica" fino alla formazione del composto specifico 3-osso-uronato. Una volta raggiunto questo stato, il 3-osso-uronato si trasforma facilmente in pentoso mediante β-decarbossilazione in presenza di H2 O2 e un catalizzatore ferroso, entrambi compatibili con le condizioni della Terra primordiale.
Dopo aver stabilito e testato l'insieme di questa complessa rete di reazioni, i ricercatori hanno notato un'importante somiglianza con un moderno percorso biochimico.
"Abbiamo dimostrato un percorso sintetico non enzimatico per gli zuccheri a cinque atomi di carbonio che si basa su trasformazioni chimiche che ricordano i primi passi del percorso del pentoso fosfato, un percorso centrale del metabolismo", afferma l'autore principale Ruiqin Yi.
"Questi risultati dimostrano che la sintesi dello zucchero prebiotico può avere sovrapposizioni con i percorsi biochimici esistenti". Dato che gli zuccheri sono onnipresenti nel metabolismo moderno, la rete di reazioni proposta potrebbe essere stata importante per l'emergere dei primi sistemi simili alla vita.
I risultati di questo studio sono importanti nel contesto dell’astrochimica e dell’astrobiologia. Gli aldonati sono stati trovati in abbondanza nel meteorite Murchison, un famoso meteorite carbonioso caduto sulla Terra nel 1969.
Al contrario, i carboidrati canonici presenti nei moderni sistemi biologici erano assenti. Ciò implica che gli aldonati possono formarsi e accumularsi in condizioni extraterrestri e il presente studio suggerisce che potrebbero svolgere un ruolo importante nell’origine degli elementi costitutivi della vita. "Speriamo che questo lavoro possa dare forma alla prossima ondata di astrobiologia che si concentrerà sugli studi sugli aldonati", aggiunge Yi.
Negli studi futuri, il gruppo di ricerca si concentrerà sulla possibilità che gli aldonati C6 si siano accumulati abbastanza nella Terra primordiale per agire come "nutrienti" per l'emergere del protometabolismo. Il ricercatore capo Ruiqin Yi conclude:"Vogliamo capire meglio come questi aldonati possano essere generati dalle classiche reazioni dello zucchero prebiotico, come la reazione del formosi e l'omologazione Kiliani-Fischer."
In particolare, queste classiche reazioni degli zuccheri prebiotici non si trovano nel metabolismo moderno e, quindi, il percorso non enzimatico proposto potrebbe fungere da ponte tanto necessario tra i primi zuccheri e i carboidrati teoricamente utilizzati dalle prime forme di vita.
Ulteriori informazioni: Ruiqin Yi et al, La migrazione del carbonile negli uronati offre un potenziale percorso prebiotico per la produzione di pentoso, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00299
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
