Due origini della vita: le cellule autotrofe potrebbero essersi formate due volte, in seguito alla divergenza tra batteri e archeobatteri

Come e dove sono nate le prime forme di vita? Queste sono le domande principali che guidano la ricerca presso l’Istituto di Evoluzione Molecolare dell’Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU). In una nuova pubblicazione su Science Advances, un team internazionale guidato da biologi di Düsseldorf svela intuizioni pionieristiche sulla rete di reazioni chimiche che le primissime cellule utilizzavano per creare i mattoni della vita e sulle fonti di energia impiegate per alimentare tali reazioni.

I ricercatori hanno ricostruito l’origine degli enzimi durante la primissima divergenza della vita in batteri e archei, trovando prove di due origini indipendenti della vita per le cellule a vita libera.

Se potessimo tornare indietro di 4 miliardi di anni e osservare l’emergere delle prime cellule sulla Terra, cosa vedremmo?

“Vedremmo emergere due tipi di cellule molto diversi, batteri pionieri e archei pionieri, che compiono i loro primi tentativi di vita al di fuori dei confini di un camino idrotermale“, afferma Natalia Mrnjavac, biologa dell’Università di Düsseldorf e autrice principale della nuova pubblicazione.

Nel lavoro, Mrnjavac e un team internazionale di scienziati riportano indagini su genomi, strutture proteiche e reazioni chimiche che esplorano le fasi più precoci dell’evoluzione microbica, prima che esistessero cellule a vita libera.

“Questi confronti ci stanno fornendo intuizioni senza precedenti sulla fase dell’evoluzione in cui il metabolismo catalizzato dagli enzimi stava emergendo da reazioni spontanee catalizzate dai metalli nella crosta terrestre“, afferma il biologo di Düsseldorf William Martin, autore senior dello studio.

Metabolismo delle prime cellule: a sinistra sono mostrati i composti di partenza, che vengono convertiti dal metabolismo nei mattoni della vita. Le 420 reazioni enzimatiche sono indicate da cerchi, i metaboliti chimici da rombi; le linee collegano le reazioni che condividono metaboliti comuni. I cerchi con ombreggiatura magenta indicano reazioni che potrebbero essere state catalizzate da composti inorganici nell’ambiente in cui è nato il metabolismo delle prime cellule.

Il metabolismo prima degli enzimi moderni L’approccio del team differisce dalle precedenti indagini sull’evoluzione precoce poiché esamina l’intero set di reazioni chimiche che le cellule utilizzano per creare i mattoni della vita (aminoacidi, basi dell’RNA e vitamine) a partire da composti presenti sulla Terra primordiale: idrogeno gassoso, ammoniaca e CO2. Questo insieme di 420 reazioni chimiche è chiamato metabolismo. Le reazioni chimiche stesse sono conservate universalmente quanto il codice genetico.

Martin afferma: “La sorpresa è che gli enzimi che catalizzano queste reazioni non sono conservati attraverso la divergenza evolutiva che separa batteri e archei. Abbiamo scoperto che l’ultimo antenato universale di tutte le cellule, LUCA, possedeva enzimi per solo circa la metà delle reazioni del metabolismo. L’altra metà era catalizzata dai metalli nell’ambiente in cui LUCA è nato“.

“I metalli che si trovano naturalmente nei camini idrotermali possono sostituire un numero sorprendentemente elevato di enzimi nel metabolismo“, afferma Harun Tüysüz, chimico inorganico del Max-Planck-Institut für Kohlenforschung e dell’IMDEA Materials Institute di Madrid, coautore dello studio.

“Più guardiamo da vicino, più chiaramente vediamo che l’evoluzione biochimica precoce è stata un ibrido di catalizzatori enzimatici e metallici”, afferma Joseph Moran dell’Università di Ottawa, Canada, leader internazionale nell’uso dei metalli per catalizzare reazioni metaboliche, sostituendo enzimi e cofattori.

Quattro fasi della catalisi precoce Un passo avanti fondamentale nello studio è stato che il team è riuscito a ricostruire quattro fasi dell’evoluzione precoce della catalisi: solo metalli, un ibrido metallo-enzima in LUCA, seguito da un’evoluzione divergente verso gli antenati delle linee batteriche e archeiche. In queste linee, stavano emergendo nuovi enzimi, sostituendo i catalizzatori inorganici forniti dall’ambiente in cui era nato il metabolismo.

“Possiamo vedere casi in cui gli antenati di batteri e archei hanno evoluto indipendentemente enzimi strutturalmente distinti per catalizzare la stessa reazione metabolica essenziale“, afferma Mrnjavac. “Tali invenzioni parallele potrebbero aver spianato la strada all’emergere indipendente di batteri e archei a vita libera“.

Una fonte di energia prima dell’ATP E da dove proveniva l’energia per spingere queste reazioni? Oggi, l’energia nel metabolismo deriva principalmente sotto forma di ATP, ma l’ATP è una molecola complicata, prodotta da enzimi, non un composto che si trovava disponibile gratuitamente nei camini idrotermali.

“Abbiamo identificato una nuova fonte di energia all’origine del metabolismo“, afferma Manon Schlikker del team di Düsseldorf. Tra i metalli presenti naturalmente nei camini idrotermali c’è il palladio, un eccellente catalizzatore noto e utilizzato dai chimici da un secolo.

“Quando facciamo reagire il fosfito, una forma di fosforo presente naturalmente nei camini idrotermali, con composti organici, otteniamo reazioni di fosforilazione metabolica in acqua in una sola notte. Il fosfito e il palladio sostituiscono l’ATP e gli enzimi; è sorprendente e rende l’evoluzione precoce molto più facile da comprendere”, afferma Schlikker.

(Nota: il paragrafo relativo alla newsletter di Phys.org è stato omesso in quanto contenuto promozionale)

Ordinare le prime reazioni della vita Lo studio è la prima indagine focalizzata sul set di reazioni chiamato metabolismo. Questo set è una rete altamente interconnessa di 420 reazioni, con molti composti che partecipano a più reazioni. Tali reti possono essere matematicamente difficili da gestire.

Tuttavia, tra gli autori ci sono Mike Steel dell’Università di Canterbury in Nuova Zelanda e Daniel Huson dell’Università di Tubinga. Esperti in reti, hanno ideato un nuovo metodo per ordinare le reazioni metaboliche dalla più semplice alla più complessa, ricapitolando possibilmente l’ordine in cui queste reazioni sono emerse all’origine della vita.

“La prima domanda“, afferma Steel, “è se esista o meno un ordine unico per queste reazioni. Una volta dimostrato che ne esiste uno, l’algoritmo per ordinarle è diventato gestibile“.

Due percorsi verso le cellule a vita libera Fa parte della condizione umana voler conoscere le proprie origini, da dove veniamo, dove è iniziata la vita e come le prime cellule sulla Terra sono sopravvissute. E qual è il significato più ampio di queste nuove scoperte?

Martin ha dichiarato: “I nuovi dati portano a un’unica conclusione. Le linee batteriche e archeiche hanno compiuto la transizione allo stato di vita libera indipendentemente. Solo le cellule a vita libera sono vive. Chiamiamolo con il suo nome: stiamo osservando un’unica origine del codice genetico, ma due origini della vita“.

Oltre ai ricercatori della HHU, il team internazionale includeva scienziati delle università di Canterbury (Nuova Zelanda), Rostock, Costanza, Ottawa (Canada), Strasburgo e Tubinga; l’Istituto Max Planck di Microbiologia Terrestre di Marburg; il Max-Planck-Institut für Kohlenforschung di Mülheim/Ruhr; e l’IMDEA Materials Institute di Madrid (Spagna).

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