Di recente è stato pubblicato su Science l’articolo Peptide synthesis at the origin of life, firmato da Muchowska e Moran, commento del lavoro di Foden e colleghi dal titolo Prebiotic synthesis of cysteine peptides that catalyze peptide ligation in neutral water.
Nei due articoli si parla una possibile sintesi di peptidi, a partire dall’amminoacido cisteina, che potrebbe essere la base per quelle reazioni chimiche che hanno dato origine alla vita.

L’origine della vita sulla Terra è un mistero che affascina noi esseri umani da sempre ma che ha incominciato a richiamare l'attenzione degli scienziati solo nella seconda metà del XVIII secolo, come scritto da Mario Ageno, il fondatore della biofisica italiana che si è occupato del tema dell’origine della vita, autore di diverse pubblicazioni sull’argomento e della seguente affermazione.

Abbiamo commentato i lavori pubblicati su Science e approfondito il tema dell’origine della vita sulla Terra arrivando a contenuti vicini all'affermazione di Mario Ageno insieme a Ernesto Di Mauro, biologo, che è stato professore di Biologia molecolare all’università La Sapienza di Roma, direttore scientifico della Fondazione Pasteur-Cenci Bolognetti e direttore del Centro di Studio per gli Acidi Nucleici (CNR, Roma) e adesso è vicepresidente della Académie Européenne Interdisciplinaire des Sciences (Parigi).

“Il mistero intorno all’origine della vita è infatti tutto racchiuso nella prima frase dell’articolo di Moran e Muchowska. – commenta Di Mauro – Un inizio che fa riferimento al famoso enigma 'è nato prima l’uovo o la gallina?'”. La risposta a questa domanda non può essere che una sola e cioè: 'Devono essere per forza nati insieme'. Va tenuto però conto che l’origine della vita può essere reinventata ma non ricostruita."

Facendo un passo indietro, come possiamo definire la vita sulla Terra?

Esistono 123 definizioni della vita e, ad esempio, quella su cui si basa il lavoro di Foden, è la definizione proposta dalla NASA: un sistema chimico autosostenibile e autoreplicante, in grado di sottostare alle teorie evolutive di Charles Darwin. Il biofisico molecolare Edward Trifonov ha preso tutte e 123 le definizioni di vita, le ha analizzate e ha formulato questa definizione che ne estrae la base comune: “la vita è riproduzione con variazioni”, cioè qualcosa che è in grado di autoriprodursi ma con variazioni. Quindi il sistema deve essere in grado di evolvere e alla base della vita deve esserci la riproduzione di qualcosa che si adatti. 

Dal punto di vista biochimico, quindi, quali sono le possibili strategie e reazioni che rispettano la definizione di vita? E come si colloca, in questo contesto, il lavoro di Foden?

In generale una qualsiasi reazione che possa aver dato origine alla vita sulla Terra deve basarsi su una biochimica semplice, robusta e stabile e deve quindi avere caratteristiche ben precise. Deve essere in grado di avvenire da sola, deve essere basata su principi termodinamici semplici e robusti, i prodotti devono essere stabili e abbondanti, si deve partire da precursori abbondanti e semplici, deve dar luogo a miscele complesse che siano in grado poi di interagire. Servono catalizzatori comuni, la sorgente di energia deve essere semplice, abbondante e continua perché sia i precursori e i catalizzatori siano sempre presenti contemporaneamente. 

La strategia di Foden, commentata poi da Moran e Muchowska, è una strategia molto accurata e precisa, caratterizzata da una grande genialità chimica e biochimica. Uno dei punti di forza, ad esempio, è stato il focalizzarsi su una reazione specifica che abbia portato alla sintesi di peptidi a partire da amminoacidi. Ma l’amminoacido presentato, cioè la cisteina, non è un amminoacido prebiotico e che cioè rispetta i criteri della biochimica stabile e robusta. Gli amminoacidi prebiotici sono quelli che si fanno in modo spontaneo senza enzimi a partire da una miscela di composti con un atomo di carbonio. Questi composti, come ad esempio l’acido cianidrico, una molecola estremamente reattiva, quando ricevono una certa energia, sono in grado di generare amminoacidi, ma in numero finito. Per avere tutti gli altri amminoacidi per noi fondamentali e poi tutte le proteine servono le cellule e gli enzimi. Tra quest’ultimo tipo di amminoacidi rientra la cisteina. Per fare la cisteina servono quindi cellule con enzimi oppure operatori in laboratorio. 
Il limite quindi al lavoro di Foden è sostanzialmente che quella da lui presentata è una biochimica sofisticata, che funziona ma non è semplice e forte come quella che dovrebbe esserci stata all’origine della vita.

Ci sono casi in natura che spontaneamente seguono le strategie proposte da Foden, come la sintesi della gramicidina, una molecola organica formata da un peptide lineare di 15 residui, ma sono dei casi, non è quello che avviene ordinariamente. Le reazioni presentate da Foden richiedono molti passaggi ad opera di un operatore e un laboratorio attrezzato per avvenire. L’approccio alla base della strategia proposta è infatti di questo tipo: prendo degli elementi di partenza, li faccio reagire e ottengo un prodotto. Poi prendo il prodotto, lo riattivo e faccio partire di nuovo la reazione. E così via. Questo, sebbene la strategia di per sé sia valida, non rispetta le caratteristiche che l’origine della vita sulla Terra richiede.
 

Ci sono altri argomenti che attualmente sono oggetto di ricerca per rispondere alle domande circa il mistero dell’origine della vita?

L’argomento è in rapida evoluzione e per riprenderlo possiamo tornare all’uovo e alla gallina, cioè al fatto che dobbiamo avere un genotipo e un fenotipo. Dobbiamo avere un genotipo e cioè informazione che va replicata, l’uovo nel nostro caso, e per fare l’informazione serve un macchinario complesso che raccolga energia e la renda utilizzabile, cioè la gallina. Se la vita è la trasmissione dell’informazione il problema è come si è organizzata l’informazione, e l’informazione si è organizzata per riprodursi, per rimanere se stessa adattandosi all’ambiente e in generale per rimanere. Quindi quando si va a cercare l’origine della vita, si vanno a cercare quei primi polimeri che sono stati in grado di rimanere e di reagire in modo autonomo che sono gli acidi nucleici: gli acidi nucleici sono in grado di riprodursi. Quindi il punto chiave è capire l’inizio della polimerizzazione degli acidi nucleici (DNA e RNA) che sono informazione lineare in grado di riprodursi. Ad esempio l’origine dell’RNA deve essere stata spontanea e ci sono tantissime ricerche sul tema. 

Quindi un primo argomento è sicuramente l’autogenerazione di sequenze di RNA. L’altro argomento è la “cellularizzazione” e per fare una cellula serve una membrana, quindi l’argomento è l’origine delle membrane, la biochimica delle membrane cellulari. Poi c’è la questione dell’energia. All’inizio sulla Terra c’erano soprattutto due tipi di energia: il calore interno e il Sole. Il vento solare era molto forte perché ancora non c’era l’atmosfera che abbiamo oggi, e questo vento solare, cioè sostanzialmente protoni ed elettroni, è stato l’energia alla base dell’attivazione radicalica di molecole il più semplici possibile per fare reazioni spontanee. La chiave è quindi capire fino a che punto arrivano le reazioni spontanee attivate dall’energia solare. Oggi con gli acceleratori di particelle si può riprodurre energia solare e si riesce ad avere la sorgente di energia che era disponibile a lungo all’inizio sulla Terra, diffusa e continua e vedere come questo tipo di energia reagiva con le molecole più semplici per produrne di nuove.

E c’è un catalogo che arriva a più di 300 molecole prodotte a partire da idrogeno e carbonio.

Capire le classi di reazioni spontanee è la vera frontiera.

Sono quindi queste reazioni spontanee che hanno originato forme viventi come noi?

Sì, sono una serie di reazioni spontanee, a partire da alcuni elementi, che hanno dato origine alla vita sulla Terra circa quattro miliardi di anni fa. La cosa interessante è che qui sono successe una serie di reazioni ma sui satelliti di Saturno o su altri pianeti la domanda è: è successa la stessa cosa? Perché data una certa chimica di reazione e una data energia, la combinazione delle due è sempre la stessa con delle piccole varianti. La chimica è universale quindi le combinazioni che ci sono qui saranno molto simili altrove. Quello che cambia è l’ambiente e quindi la possibilità che determinate combinazioni avvengano o meno. 
Ad esempio: l’acqua bolle a 100 gradi e congela a zero dappertutto. L’acqua è sempre la stessa ma le reazioni a cui può partecipare dipendono dalle condizioni dell’ambiente in cui si trova. Non è escluso che possano esserci amminoacidi su qualche altro pianeta. In fondo siamo fatti delle cose più semplici, comuni ed economiche possibili dal punto di vista chimico, altrimenti la generazione e riproduzione di forme di vita così complesse come siamo non sarebbe così diffusa. È un discorso di unità necessaria: noi siamo fatti del “fango” più semplice e la ricerca dell’origine da cui la vita sia scaturita non può che rispettare le regole dell’evoluzione e questa semplicità.