Come è emersa la “manualità” molecolare agli albori della biologia

I chimici della Scripps Research, in due studi di alto profilo, hanno ora proposto un’elegante soluzione a questo mistero, mostrando come questa individualità o “omochiralità” potrebbe essersi affermata in biologia.

Gli studi sono stati pubblicati in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze il 5 febbraio 2024 e in Natura il 28 febbraio 2024. Insieme, suggeriscono che l’emergere dell’omochiralità fosse dovuto in gran parte a un fenomeno chimico chiamato risoluzione cinetica, in cui una forma chirale diventa più abbondante di un’altra a causa di una produzione più rapida e/o di un esaurimento più lento.

“Ci sono state molte proposte su come l’omochiralità sia emersa in molecole specifiche – amminoacidi specifici, per esempio – ma avevamo davvero bisogno di una teoria più generale”, afferma Donna Blackmond, PhD, professoressa e presidente di John C. Martin presso il Dipartimento di Chimica presso Scripps Research, che ha condotto entrambi gli studi.

Lo studente laureato Jinhan Yu e il ricercatore post-dottorato Min Deng, PhD, sono stati i primi autori dei due studi.

L’enigma dell’omochiralità

La chimica dell'”origine della vita” è stata un campo molto attivo per gran parte del secolo scorso. I suoi esperti hanno scoperto dozzine di reazioni chiave che plausibilmente si sono verificate sulla Terra “prebiotica” per produrre i primi DNA, RNA, zuccheri, amminoacidi e altre molecole che sostengono la vita. In questo corpus di lavori, tuttavia, mancava una teoria prebiotica plausibile per l’emergere dell’omochiralità.

“C’è stata una tendenza nel campo a ignorare il problema della chiralità quando si cercavano reazioni plausibili che avrebbero potuto creare le prime molecole biologiche”, afferma Blackmond. “È frustrante, perché senza reazioni che favoriscono l’omochiralità, non avremmo la vita.”

Le reazioni chimiche ordinarie che producono molecole chirali tendono a produrre miscele uguali (“racemiche”) di forme levogire e levogire. Al di fuori della biologia, questa mescolanza in genere non ha importanza, poiché entrambe le forme hanno solitamente proprietà simili o identiche. In biologia, tuttavia, come conseguenza dell’ampia omochiralità, accade comunemente che solo la forma destrorsa o sinistrorsa di una molecola chirale abbia proprietà utili, mentre l’altra può essere inerte o addirittura tossica. Pertanto, le cellule spesso guidano le reazioni per produrre forme chirali specifiche, utilizzando enzimi altamente evoluti.

La Terra prebiotica, però, non avrebbe avuto tali enzimi: quindi come è mai nata l’omochiralità?

Un risultato paradossale

Nel loro studio in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze, Blackmond e il suo team hanno affrontato questo problema per gli aminoacidi. Queste piccole molecole organiche vengono utilizzate come elementi costitutivi delle proteine ​​da tutti gli esseri viventi sulla Terra, ma esistono in biologia solo nella forma chirale levogira.

I ricercatori hanno cercato specificamente di riprodurre l’omochiralità in un processo centrale nella produzione di aminoacidi chiamato transaminazione, utilizzando una chimica relativamente semplice e plausibilmente prebiotica che esclude enzimi complessi.

Nei primi test, la reazione sperimentale del team ha funzionato e ha prodotto amminoacidi arricchiti per una forma chirale rispetto all’altra. Il problema era che la forma preferita era quella destrorsa, quella che la biologia non usa.

“Siamo rimasti bloccati per un po’, ma poi la lampadina si è accesa: ci siamo resi conto che potevamo fare parte della reazione al contrario”, dice Blackmond.

Quando lo hanno fatto, la reazione non ha più prodotto preferenzialmente amminoacidi destrimani. In un esempio lampante di risoluzione cinetica, ha invece consumato ed esaurito preferenzialmente le versioni destrorse, lasciando più amminoacidi mancini desiderati. È servito quindi come via plausibile verso l’omochiralità per gli amminoacidi utilizzati nelle cellule viventi.

Legando tutto insieme

Per il Natura studio, i chimici hanno esplorato una semplice reazione con la quale gli amminoacidi nelle prime forme di vita potrebbero essere stati collegati insieme nelle prime proteine ​​corte (note anche come peptidi). La reazione era stata pubblicata in precedenza da un altro ricercatore, ma non era mai stata studiata per la sua capacità di produrre peptidi omochirali da miscele racemiche o quasi racemiche di aminoacidi.

Ancora una volta, i chimici si imbatterono in quello che sembrava essere un ostacolo insormontabile: scoprirono che nella formazione di catene peptidiche di amminoacidi, la reazione funzionava più velocemente per i collegamenti degli amminoacidi levogiri con quelli destrimani – l’opposto dell’omochirale desiderato. peptidi.

Tuttavia, la squadra ha perseverato. Alla fine, hanno scoperto che quando un tipo di amminoacido nel pool iniziale di amminoacidi aveva anche una moderata dominanza della forma mancina – come il loro altro studio aveva reso plausibile – la velocità di reazione più veloce per i mancini i collegamenti destrimani hanno preferenzialmente impoverito gli amminoacidi destrimani, lasciando una concentrazione sempre maggiore di quelli mancini. Inoltre, i peptidi sinistra-destra-sinistra-destra avevano una tendenza più forte ad aggregarsi e a cadere dalla soluzione come solidi. Questi fenomeni legati alla risoluzione cinetica hanno quindi prodotto una soluzione sorprendentemente pura di peptidi quasi completamente levogiri.

Per Blackmond, i meccanismi apparentemente paradossali scoperti in questi studi offrono la prima spiegazione ampia e convincente per l’emergere dell’omochiralità – una spiegazione che probabilmente funziona non solo per gli amminoacidi, dice, ma anche per altre molecole fondamentali della biologia come il DNA. e RNA.

Il finanziamento per entrambi gli studi è stato fornito dalla Simons Foundation attraverso la Simons Collaboration on the Origins of Life (SCOL 287625) e attraverso la John C. Martin Endowed Chair in Chemistry presso Scripps Research.