Come è iniziata la vita? In che modo le reazioni chimiche sulla Terra primordiale hanno creato strutture complesse e autoreplicanti che si sono sviluppate negli esseri viventi come li conosciamo?
Secondo una scuola di pensiero, prima dell'attuale era della vita basata sul DNA, esisteva un tipo di molecola chiamata RNA (o acido ribonucleico).
L'RNA, che ancora oggi è una componente cruciale della vita, può replicarsi e catalizzare altre reazioni chimiche.
Ma le molecole stesse di RNA sono costituite da componenti più piccoli chiamati ribonucleotidi. Come si sarebbero formati questi elementi costitutivi sulla Terra primordiale e poi si sarebbero combinati nell'RNA?
I chimici come me stanno cercando di ricreare la catena di reazioni necessarie per formare l'RNA agli albori della vita, ma è un compito impegnativo. Sappiamo che qualunque reazione chimica abbia creato i ribonucleotidi deve essere riuscita a verificarsi nell'ambiente disordinato e complicato che si trovava sul nostro pianeta miliardi di anni fa.
Ho studiato se le reazioni "autocatalitiche" possano aver avuto un ruolo. Si tratta di reazioni che producono sostanze chimiche che incoraggiano il ripetersi della stessa reazione, il che significa che possono sostenersi in un'ampia gamma di circostanze.
Nel nostro ultimo lavoro pubblicato su Chemical Science , io e i miei colleghi abbiamo integrato l'autocatalisi in un noto percorso chimico per la produzione degli elementi costitutivi del ribonucleotide, cosa che potrebbe essere plausibilmente avvenuta con le molecole semplici e le condizioni complesse trovate sulla Terra primordiale.
Le reazioni autocatalitiche svolgono un ruolo cruciale in biologia, dalla regolazione dei nostri battiti cardiaci alla formazione di modelli sulle conchiglie. In effetti, la replicazione della vita stessa, in cui una cellula assorbe nutrienti ed energia dall'ambiente per produrre due cellule, è un esempio particolarmente complicato di autocatalisi.
Una reazione chimica chiamata reazione formosi, scoperta per la prima volta nel 1861, è uno dei migliori esempi di reazione autocatalitica che potrebbe essersi verificata sulla Terra primordiale.
In sostanza, la reazione del formosi inizia con una molecola di un composto semplice chiamato glicolaldeide (composto da idrogeno, carbonio e ossigeno) e termina con due. Il meccanismo si basa su una fornitura costante di un altro composto semplice chiamato formaldeide.
Una reazione tra glicolaldeide e formaldeide forma una molecola più grande, scindendo frammenti che alimentano la reazione e la fanno andare avanti. Tuttavia, una volta esaurita la formaldeide, la reazione si interrompe e i prodotti iniziano a degradarsi da complesse molecole di zucchero in catrame.
La reazione del formosi condivide alcuni ingredienti comuni con un noto percorso chimico per produrre ribonucleotidi, noto come percorso Powner-Sutherland. Tuttavia, fino ad ora nessuno ha provato a collegare i due, e per una buona ragione.
La reazione formose è nota per essere "non selettiva". Ciò significa che produce molte molecole inutili insieme ai prodotti reali desiderati.
Nel nostro studio, abbiamo provato ad aggiungere un'altra semplice molecola chiamata cianammide alla reazione del formosi. Ciò rende possibile che alcune delle molecole prodotte durante la reazione vengano "trascinate via" per produrre ribonucleotidi.
La reazione non produce ancora una grande quantità di elementi costitutivi di ribonucleotidi. Tuttavia, quelli che produce sono più stabili e hanno meno probabilità di degradarsi.
La cosa interessante del nostro studio è l'integrazione della reazione del formosio e della produzione di ribonucleotide. Precedenti indagini li hanno studiati separatamente, il che riflette il modo in cui i chimici solitamente pensano alla creazione di molecole.
In generale, i chimici tendono ad evitare la complessità per massimizzare la quantità e la purezza di un prodotto. Tuttavia, questo approccio riduzionista può impedirci di studiare le interazioni dinamiche tra diversi percorsi chimici.
Queste interazioni, che avvengono ovunque nel mondo reale al di fuori del laboratorio, rappresentano senza dubbio il ponte tra chimica e biologia.
L'autocatalisi ha anche applicazioni industriali. Quando aggiungi la cianammide alla reazione del formosi, un altro dei prodotti è un composto chiamato 2-amminoossazolo, utilizzato nella ricerca chimica e nella produzione di molti prodotti farmaceutici.
La produzione convenzionale di 2-amminoossazolo utilizza spesso cianammide e glicolaldeide, l'ultima delle quali è costosa. Se può essere prodotto utilizzando la reazione del formosi, sarà necessaria solo una piccola quantità di glicolaldeide per avviare la reazione, riducendo i costi.
Il nostro laboratorio sta attualmente ottimizzando questa procedura nella speranza di poter manipolare la reazione autocatalitica per rendere le reazioni chimiche comuni più economiche ed efficienti e i relativi prodotti farmaceutici più accessibili. Forse non sarà un grosso problema quanto la creazione della vita stessa, ma pensiamo che potrebbe comunque valerne la pena.
Ulteriori informazioni: Quoc Phuong Tran et al, Verso una sintesi di chemotoni prebiotici e precursori nucleotidici guidata dalla reazione autocatalitica del formosio, Scienza chimica (2023). DOI:10.1039/D3SC03185C
Informazioni sul giornale: Scienze chimiche
Fornito da The Conversation
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