Due origini della vita: Le cellule libere potrebbero essere emerse due volte quando i batteri e gli archei si sono separati

Due origini della vita: le cellule libere potrebbero essere emerse due volte quando i batteri e gli archaea divergevano Gli scienziati hanno scoperto prove convincenti che suggeriscono che le cellule libere potrebbero essere originate due volte, una volta portando all'emergere dei batteri e una volta agli archaea, poiché questi due domini della vita si sono divergiti miliardi di anni fa. Uno studio pubblicato su Science Advances da parte di ricercatori dell'Istituto di evoluzione molecolare dell'Università Heinrich Heine di Düsseldorf, insieme a collaboratori di più istituzioni, presenta questa scoperta rivoluzionaria basata su analisi del genoma, studi sulla struttura delle proteine e ricostruzioni di antichi percorsi metabolici.

Secondo la ricerca, le prime forme di vita probabilmente sono emerse in ambienti ricchi di attività idrotermale, come le bocche d'acqua in acque profonde. Queste condizioni hanno fornito un mix di catalizzatori inorganici, compresi i metalli, che hanno svolto un ruolo cruciale nel facilitare le reazioni chimiche necessarie per la vita. Lo studio suggerisce che le fasi iniziali del metabolismo cellulare si basavano pesantemente su questi catalizzatori ambientali piuttosto che sugli enzimi, che sono arrivati più tardi nella storia evolutiva. Natalia Mrnjavac, biologa dell'Università di Düsseldorf e autrice principale dello studio, ha descritto il processo come simile a guardare le prime cellule emergere dalla zuppa primordiale.

Il team di ricerca ha esaminato le reazioni chimiche che hanno permesso la sintesi di molecole biologiche fondamentali, come aminoacidi, basi RNA e vitamine, da semplici precursori come idrogeno, gas ammoniaca e anidride carbonica.

Hanno identificato un totale di 420 reazioni enzimatiche che ora sono considerate universali per tutti gli organismi viventi. Tuttavia, lo studio ha rivelato che gli enzimi responsabili di queste reazioni non sono condivisi tra batteri e archei. Invece, l'ultimo antenato comune universale (LUCA) di tutte le forme di vita conosciute possedeva enzimi solo per circa la metà di queste reazioni, mentre il resto era catalizzato dai metalli nell'ambiente. William Martin, un biologo dell'Università di Düsseldorf e autore senior dello studio, ha sottolineato il significato di questa scoperta.

La sorpresa è che gli enzimi che catalizzano tali reazioni non sono conservati attraverso la divisione evolutiva che separa i batteri dagli archaea, ha dichiarato. Abbiamo scoperto che LUCA possedeva enzimi per solo circa la metà delle reazioni del metabolismo. Harun Tüysüz, chimico inorganico del Max-Planck-Institut für Kohlenforschung e dell'IMDEA Materials Institute di Madrid, ha aggiunto che i metalli comunemente presenti nelle sorgenti idrotermali potrebbero effettivamente sostituire una parte sostanziale degli enzimi necessari per il metabolismo. I metalli che si trovano naturalmente nelle sorgenti idrotermali possono sostituire un numero sorprendentemente elevato di enzimi nel metabolismo, ha osservato.

Joseph Moran, un ricercatore dell'Università di Ottawa specializzato nell'uso dei metalli per catalizzare le reazioni metaboliche, ha elaborato ulteriormente le implicazioni dello studio. "Più da vicino guardiamo, più chiaramente possiamo vedere che l'evoluzione biochimica iniziale era un ibrido di catalizzatori enzimatici e metallici", ha detto. Questo sistema ibrido ha permesso alle prime forme di vita di adattarsi ed evolvere, portando alla fine allo sviluppo di enzimi pienamente funzionali in grado di svolgere compiti metabolici complessi. I risultati dello studio suggeriscono che il passaggio da processi non enzimatici catalizzati dai metalli al metabolismo basato sugli enzimi si è verificato in fasi.

I ricercatori hanno ricostruito quattro fasi chiave della prima catalisi: un periodo iniziale dominato da catalizzatori di soli metalli, seguito da una fase di transizione che coinvolge sia metalli che enzimi, e infine la diversificazione dei sistemi enzimatici all'interno dei lignaggi batterici e archeologici.