Le molecole catalitiche possono formare cluster metabolicamente attivi creando e seguendo gradienti di concentrazione: questo è il risultato di un nuovo studio condotto da scienziati del Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPI-DS). Il loro modello prevede l’auto-organizzazione delle molecole coinvolte nelle vie metaboliche, aggiungendo un possibile nuovo meccanismo alla teoria dell’origine della vita. I risultati possono aiutare a comprendere meglio come le molecole che partecipano a complesse reti biologiche possono formare strutture funzionali dinamiche e fornire una piattaforma per esperimenti sulle origini della vita.
Un possibile scenario per l’origine della vita è l’organizzazione spontanea di molecole interagenti in goccioline simili a cellule. Queste specie molecolari formerebbero i primi cicli metabolici autoreplicanti, che sono onnipresenti in biologia e comuni a tutti gli organismi. Secondo questo paradigma, le prime biomolecole avrebbero bisogno di raggrupparsi attraverso processi lenti e complessivamente inefficienti. Una formazione così lenta di ammassi sembra incompatibile con la rapidità con cui è apparsa la vita. Gli scienziati del Dipartimento di Fisica della materia vivente dell’MPI-DS hanno ora proposto un modello alternativo che spiega tale formazione di ammassi e quindi il rapido inizio delle reazioni chimiche necessarie per formare la vita.
“Per questo, abbiamo considerato diverse molecole, in un semplice ciclo metabolico, in cui ogni specie produce una sostanza chimica utilizzata dalla successiva”, afferma Vincent Ouazan-Reboul, il primo autore dello studio. “Gli unici elementi nel modello sono l’attività catalitica delle molecole, la loro capacità di seguire i gradienti di concentrazione delle sostanze chimiche che producono e consumano, nonché le informazioni sull’ordine delle molecole nel ciclo”, continua. Di conseguenza, il modello ha mostrato la formazione di cluster catalitici comprendenti varie specie molecolari. Inoltre, la crescita dei cluster avviene in modo esponenziale veloce. Le molecole quindi possono assemblarsi molto rapidamente e in gran numero in strutture dinamiche.
“Inoltre, il numero di specie molecolari che partecipano al ciclo metabolico gioca un ruolo chiave nella struttura dei cluster formati”, riassume Ramin Golestanian, direttore di MPI-DS: “Il nostro modello porta a una pletora di scenari complessi per auto-organizzazione e fa previsioni specifiche sui vantaggi funzionali che si presentano per un numero pari o dispari di specie partecipanti.
In un altro studio, gli autori hanno scoperto che l’autoattrazione non è necessaria per raggrupparsi in una piccola rete metabolica. Invece, gli effetti di rete possono causare l’aggregazione anche di catalizzatori auto-repellenti. Con questo, i ricercatori dimostrano nuove condizioni in cui interazioni complesse possono creare strutture auto-organizzate.
Nel complesso, le nuove intuizioni di entrambi gli studi aggiungono un altro meccanismo alla teoria di come la vita complessa sia emersa una volta da molecole semplici e, più in generale, scoprono come i catalizzatori coinvolti nelle reti metaboliche possano formare strutture.
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