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molybdopterin
  Were the first living creatures composed of proteins or nucleic acids or a mixture of the two?
I have already stated my reasons for preferring proteins. I prefer proteins partly because my model works well with ten species of monomers and works badly with four species, [•••] because amino-acids fit better than nucleotides the requirements of pre-biotic chemistry.

Freeman DYSON

 

Table des Matières

 

Dai minerali alla vita

Nascità della vita e fissazione dell’azoto

Antoine Danchin

Traduzione di Vincenzo Cestari

© PROMETEO, Arnoldo Mondatori Editore, Anno 14, numero 54, Giugno 1996, pp. 16-21

prometeo

Un’alternativa al brodo prebiotico sembra essere l'ipotesi di un metabolismo di superficie

Cristallografo, Louis Pasteur fece la sorprendente scoperta di una proprieta originale associata alla vita: le molecole che derivano dai processi viventi cristallizzano in una forma asimmetrica. Al contrario, le molecole ottenute artificialmente producono una miscela nella quale alcuni cristalli e la loro immagine speculare sono presenti contemporaneamente. Egli ritenne quindi necessario includere un processo specifico nella chimica del vivente per differenziarla da quella ordinaria. A causa delle sue convinzioni filosofiche - o quanto meno delle sue convinzioni dichiarate - Pasteur non pote pensare immediatamente che la vita nascese spontaneamente dalla materia, che fosse minerale od organica. La vita doveva nascere dalla vita. Ed essendo ben noto che un brodo di coltura esposto all’aria determinava la nascita di una attivita chiaramente vivente, si era propensi a ritenere che alpnterno del mezzo di coltura preesitessero dei germi viventi che in esso si moltiplicavano. Pasteur affermo di conseguenza: "Ho la pretesa di dimostrare in modo rigoroso che in tutti gli esperimenti in cui si e creduto di riconoscere l’esistenza della generazione spontanea tra esseri inferiori, in qui il dibatito si trova oggi confinato, l'osservatore e stato vittima di illusioni o di cause d'errore delle quali non si e reso conto o che non ha saputo evitare..."

Dai momento che la vita non resiste a temperature elevate, diveniva facile distruggere tutti i germi presenti alpnterno del brodo di coltura, e, per mezzo di una apparecchiatura appropriata, impedire che altri germi lo infestassero nuovamente. Se questa ipotesi fosse corretta, un mezzo di coltura sterilizzato per mezzo del calore rimarrebe immutato nel tempo e non consentirebbe i'apparizione spontanea della vita. Al contrario, permettere all’aria. (nella quale Pasteur suppone siano presenti germi) di en entrare in contatto col brodo sarebbe sufficiente a scatenare il processo ben conosciuto della comparsa di organismi viventi alpnterno di colture o di altri mezzi liquidi esposti all’aria.

La sterilizzazione dei recipienti chiusi era gia nota e sviluppata da poco (metodo Appert). Alcuni, tuttavia, obiettavano che il principio vitale fosse in grado di penetrare solo in recipienti aperti. Cio avrebbe potuto essere verificato utilizzando recipienti aperti a questo principio immateriale, in cui pero l'apertura non avrebbe consentito ad un germe materiale di pervenire agevolmente nel brodo di coltura. E cio che Pasteur realizzo (cio indica come ritenesse che i germi avessero una massa sufficiente per sedimentare nel mezzo di coltura e non potessero risalire contro la gravita) costruendo i famosi recipienti a collo d'oca, aperti all'aria, ma comunque sterili un secolo dopo. Con questi lavori diede l’avvio ad una ricerca ancora in atto sull’origine della vita e al processo industriale che porta ormai il suo nome, la pastorizzazione.

Qual e dunque oggi la situazione? Cosa possiamo dire delle linee di ricerca in questo settore ? Nonostante Pasteur abbia dimostrato che nessuna vita puo nascere spontaneamente in un mezzo di coltura, e il modello del "brodo prebiotico " ad avere a tutt'oggi il favore del pubblico, insieme, a dire il vero, ad un altro modello assai discutibile, quello della panspermia – l’origine cosmica dei germi viventi - i cui sostenitori risultano essere, curiosamsnte, Svante Arrhenius alpnizio del secolo, e attualmente, Francis Crick.

Esistono argomenti a favore o contro pdea di un brodo originario ? Pdea di base e che un'abbondante chimica spontanea del carbonio abbia avuto luogo sulla Terra e nello spazio intersiderale. Cio avrebbe permesso l’accumulo negli oceani di una significativa concentrazione di una grande varieta di derivati organici, costituenti l'ambiente alpnterno del quale sarebbe nata la vita. E immaginabile valutare sperimentalmente tale ipotesi, sapendo che lo svolgersi della vita, nel corso delle ere geologiche, ha necessariamente confuso le carte nell’utilizzare la materia orgarnica disponibile ?

Per dimostrare la possibilita del’evoluzione da un ricco brodo originario, Horowitz, nel l945, propose la seguente ipotesi: si la vita ha utilizzato una molecola originale complicata, E, l’avra rapidamente esaurita nelle sue costruzioni. Sara stato dunque necessario elaborare E a partire da un precursore D, con l’aiuto di una prima catalisi (enzima a). A sua volta ci si e esaurita. ed e stato necessario ottenerla a partire da una molecola piu semplice C, per mezzo di un enzima b, e cosi di seguito fino alla molecola piu semplice A. E questo processo che spiegherebbe l'esistenza, al giorno d'oggi, di organismi viventi che utilizzano gli elementi minerali piu semplici per moltiplicarsi. Se questa sequenza di avvenimenti e esatta, si puo dunque supporre che b derivi da a, c da b, ecc., e che pertanto la filogenesi degli enzimi di una odierna via metabolica (procedendo dal semplice al complesso) dovrebbe evolvere in senso opposto a quello della complicazione dei prodotti della via metabolica. Al'epoca questa ipotesi non poteva essere verificata sperimentalmente. Tuttavia, nel l957, Granick propose un’ipotesi diametralmente opposta che prevede un'evoluzione dal semplice al complesso, con enzimi che si sono evoluti per specificazione progressiva della loro attivita a partire da un funzionamento iniziale assai indefinito. In questo caso, le prime attivita enzimatiche sarebbero state molto poco specifiche e si sarebbero adattate a diversi substrati. E nel corso dell'evoluzione che esse sarebbero diventate sempre piu precise e specifiche, per arrivare a cio che conosciamo oggi.

E solo agli inizi degli anni Ottanta, con i lavori di B.P. Nichols e dei suoi colleghi del'Universita di Chicago, che si e potuto trovare un principio di risposta sperimentale: questi autori, grazie al sequenziamento dei geni, hanno potuto dimostrare che ipotesi di Granick era la piu verosimile. Essi definirono questo fenomeno "evoluzione acquisitiva". Da allora numerosi lavori hanno rafforzato tale ipotesi accantonando definitivamente quella di Horowitz. L'osservazione piu recente, e senza dubbio la piu convincente, viene dal nostro laboratorio dove abbiamo dimostrato che metaboliti cosi differenti quali acido aspartico, acido glutammico, acido uridilico e carbamato, potevano essere fosforilati per mezzo di una stessa famiglia enzimatica, col precursore pottenziale corrispondente alla molecola piu semplice, il carbamato. Qualche anno addietto avevamo altresi dimostrato che sia il metabolismo del triptofano, sia quello della cisteina provengono da uno stesso precursore. Tale risultaro e particolarmente degno di nota - e vi torneremo in seguito - sopratutto se si ricorda che questi due aminoacidi, chimicamente assai differenti, sono codificati da codoni molto vicini (stesso locus generico).

Bisognava dunque scartare il modello del brodo prebiotico. Numerosi scienziati hanno insistito sul fatto che, per spiegare l'origine della vita, si dovrebbe piuttosto considerare il mondo minerale, e piu in particolare la superficie di solidi, come luogo deglie prime relazioni che hanno condotto alla vita. Tra questi scienziati si debbono ricordare quattro nomi: D. Bernal, a London, che fece notare pmportanza delle argille nella catalisi minerale sulla materia organica; il gia citato S. Granick, a New York, il quale ritenne che l'origine della fotosintesi fosse da ricercarsi su superficie solide e che suggeri pmportanza dei derivati dello zolfo nelle reazioni intermedie di ossido-riduzione; G. Cairns-Smith, a Glasgow, che ha chiaramente stabilito come un brodo prebiotico sarebbe letteralmente avvelenato dalla propria ricchezza in molecole diverse e chimicamente affni tra loro; da ultimo, G. Wächtershaüser dell’ufficio brevetti di Munich, il quale ha insistito sul fatto che un metabolismo sviluppatosi alla superficie di particelle solide dovrebbe essere considerato l’unica possibilita ragionevole per la comparsa della vita cosi come noi la conosciamo. Inoltre egli ha posto l’accento sul ruolo dello zolfo come principale intermediario delle reazioni di ossido-riduzione, e come substrato di numerose reazioni.

Che cos'e la vita ? Non e il caso in questa sede di rassumere il celebre libretto di Schrödinger, ne tentare di definire le leggi della vita. Tuttavia desidero richiamare l’attenzione su quattro processi intimamente associati in tutti gli organismi viventi: metabolismo, compartimentazione, memoria e cio che si puo definire manipolazione. Memoria e manipolazione sono legati per mezzo di un processo di codificazione, essenziale alla definizione della vita. In questi processi due scale spaziali, quella delle piccole molecole (qualche atomo) e quella delle macromolecole (qualche migliaio, milioni o anche miliardi di atomi), sono intrecciate. La vita si e sviluppata principalmente a livello della scala intermedia.

Questi processi sono cosi differenti che e parso a volte impossibile associarli, conducendo addirittura un fisico come Freeman Dyson ad affermare che la vita e nata due volte ! Cio spiega perche la maggior parte dei biologi molecolari abbia semplicemente omesso di tenere in conto il metabolismo e la compartimentazione nelle loro ipotesi sull’origine della vita, prendendo in considerazione solo le proteine e gli acidi nucleici. La stessa ovisione si e verificata da parte di coloro che hanno prseguito una riflessione concettuale sulla vita, a cominciare, ad esempio, dalle macchine di Turing, quando hanno ricercato delle macchine capaci di autoprodursi.

All’extremo opposto - e questo e il segno di una sorprendente carenza intellettuale del pensiero scientifico - troviamo alcuni ricercatori che reagiscono in modo entusiasta alla minima scoperra di una nuova molecola organica nei cosmo, ad esempio un banale aminoacido, come se cio apportasse una nuova spiegazione dell'origine della vita ! Ad un altro livello, la recente scoperta dei cosidetti ribozimi, frammenti di RNA dotati di attivita catalitica, e stata considerata in grado di risolvere l'apparente paradosso dell'uovo e la gallina: chi e il primo, l'acido nucleico o la proteina? Ma anche se tale questione assume in effetti contorni piu precisi grazie all’esistenza degli RNA catalitici, essa non fa altro che porte con maggior forza un problema sempre eluso da coloro che discutono sull’origine della vita, ossia l’esistenza dei nucleotidi. Resta peraltro un questione cruciale, quella dell'orgine delle membrane necessarie alla compartimentazione. Granick aveva proposto di analizzare il metabolismo attuale per immaginare il metabolismo originale. Il postulato sotteso ci dice che e a partire dal metabolismo che si potranno spiegare tutti i processi del vivente.

Riassumiatmo brevemente il modeio elaborato da coloro che propongono un’origine metabolica, minerale e solida della vita. Superfici minerali adeguate, portatrici di un eccesso di cariche elettriche, terranno a loro contatto le molecole dorate di cariche opposte. Queste molecole sono dunque sottoposte contemporaneamente ad un processo di selezione (per carica elettrica) e di concentrazione locale (sono molto concentrate alla superficie dei solidi). Inoltre, per semplice effetto entropico, la polimerizzazione di queste molecole sara favorita alla superficie (in particolare se questa polimerizzazione elimina una molecola d’acqua. che puo diffondere liberamente nell’ambiente), al contrario di quanto accadrebbe in soluzione.

Una giustificazione delppotesi si trova nella struttura stessa dei metabolismo odierno, che mette in gioco molecole ricche di fosfatti e carbossilati, senza che cio abbia un significato chimico per la loro attivita nei processi viventi in cui sono coinvolte. Allo stesso modo, la maggior parte dei coenzimi essenziali alla catalisi sono molecole cariche, dove tuttavia tale carica non interviene nelle proprieta catalitiche (e, in particolare, il caso del piridossal fosfato, essenziale in numerose catalisi, nel quale e la funzione aldeide ad avere proprieta catalitiche).

Possiamo dunque predire l’esistenza di funzioni simili a modificazioni ordinate di un substrato di base, presente alla superficie del solido, operate da diversi radicali chimici. E questo che abbiamo denominato transformazione omeotopica. L’analisi dei geni, ormai assai numerosi grazie ai programmi di sequenziamento di interi genomi, giustifica sempre piu frequentemente questa ipotesi. Possiamo cosi ossservare, ad esempio, che il triptofano o la cisteina sono prodotti per mezzo di una trasformazione omeotopica della serina attivata. Ma questa osservazione permette di andare ancora oltre se si nota che una modificazione di questo tipo esiste ancora chiaramente al giorno d'oggi, ed e relativa alla sintesi del 21° aminoacido, la selenocisteina : e una modificazione da parte del seleniuro d’idrogeno della serina trasportata da un RNA di trasporto che produce l’aminoacido in questione.

Questa osservazione ci fornisce quindi un filo d'Arianna se le reazioni si svolgevano inizialmente su particelle solide, un giorno e stato necessario sostituirle. E legittimo pensare che gli RNA di trasporto siano stati in questo modo sostitutivi delle superfici. Diviene facile allora comprendere perche il triptofano (UGG), la cisteina (UGC, UGU) e la selenocisteina (UGA) abbiamo codoni vicini: essi corrispondono ad una stessa famiglia di trasformazioni omeotopiche. Tuttavia, se l’ipotesi e essutta, appare interessante ricercare le funzioni in cui compaiono degli RNA di trasporto, fuori dal contesto del loro attuatle ruolo nella traduzione dei messaggeri. E, di fatto, esistono numerosi esempli di queste funzioni (come la sintesi dell'eme o della clorofilla, due pigmenti responsabili di numerosi trasferimenti di elettroni e della fotosintesi). Ma tra queste funzioni vi e una trasformazione omeotopica particolarmente degna di nota : quella chi permette la sintesi dei peptidi. In effetti, degli RNA di trasporto si trovano coinvolti in reazioni nelle quali sono il supporto della sintesi peptidica, e cio al di fuori della loro attuale funzione nell’ambito delle sintesi di questo tipo (sarrebbe a dire senza l’intervento dell`apparato di traduzione, e dei ribosomi in particolare).

E dunque legittimo pensare che la sintesi dei peptidi al di fuori dell’uso del codice genetico ha proceduto quella che oggi e la traduzione degli RNA messaggeri, e che essa e senza dubbio la loro origina. I messaggeri sono stati all’inizio degli RNA cofattori che aumentavano la precisione della formazione di particolari peptidi, da cui la nascita di un meccanismo di codificazione che associava certi aminoacidi ad alcune sequenze di RNA. Il codice genetico sarebbe dunque una conseguenza casuale della catalisi per omeotopia del legame peptidico.

La questione centrale che si pone e dunque quelai dell’esistenza degli RNA (la loro moltiplicazione e divenuta plausibile dal momento che sappiamo dell’esistenza dei ribozimi, capaci sia di catalisi che di riproduzione). Avendo ritenuto ammissibile la polimerizzazione su superfici, il problema centrale e quello dell’esistenza dei nucleotidi. E un problema assai complesso e in genere gravemente sottovalutato. Al momento non esiste alcuna soluzione sodisfacente, in ragione sia dell’enorme complessita di queste molecole che della loro grande instabilita (pertanto non e ragionevole pensare che siano molecole rare arcumulatesi a poco a poco).

Tuttavia, il loro metabolismo attuale mette in gioco degli aminoacidi precursori. Si e dunque spinti a ricercare ipotesi concernenti gli aminoacidi e i peptidi. Esistono relationi attuali che permettono la sintesi di peptidi fuori dal contesto della traduzione ? Da qualche anno sappiamo che cio e possibilta. Esiste infatti un coenzima (fosforilato e che utilizza lo zolfo per le sue azioni catalitiche, come si poteva dedurre da quanto detto in precedenza), il 4-fosfopanteteina, il quale trasporta aminoacidi attivati, su una serie di atomi di zolfo, attraverso una sequenza di trasferimenti di numerosi legami tioesteri. E cio e in accordo con i numerosi argomenti forniti dal chimico C. De Duve per sostenere che il legame tioestere e stato primordiale nell’ambito della chimica dell’origine della vita.

Le reazioni che mettono in gioco questo coenzima permettono la sintesi di peptidi di struttura diversificata (in generale, antibiotici). Diversi aspetti della reazione sono arcaici, in particolare il fatto che gli aminoacidi sono destrogiri o levogiri (D- o L-), oppure la circostanza che il legame in questione e un legame con un atomo di zolfo. Diviene quindi rilevante che un (iso) peptide sia necessario alla sintesi di (iso) peptidi. Certamente l’ipotesi sarebbe maggiormente sostenuta se si scoprisse che, in un qualsiasi organismo, il 4-fosfopanteteina e sintetizzato a partire da un enzima che l’utilizza come cofattore. Ma cio non e ancora accaduto. Tuttavia, un'osservazione fatta da F. Lipmann a proposito dell'organizzazione delle strutture enzimatiche correspondenti, ben prima che le sequenze proteiche tossero conosciute, rende ancor piu degna di nota questa ipotesi: l'analisi della sequenza di geni che permettono la sintesi degli acidi grassi, costituenti maggiori delle membrane, ha mostrato che di tale sintesi sono responsabili enzimi della stessa famiglia (e con lo stesso coenzima). Avremo in questo caso una prima spiegazione della genesi delle membrane (essenziali alla compartimentazione), come sottoprodotto casuale della sintesi dei peptidi.

Oggi sappiamo che l'atmosfera terrestre primitiva non e stata molto riduttrice, ed e dunque poco probabile che 3.8 miliardi di anni fa ci sia stata una forte concentraizione di NH3. L'atmosfera era essenzialmente ricca di CO2 e N2, e forse di derivati piu ossidati dell'azoto. Se dunque avanziamo l’ipotesi dell’esistenza di un'abbondunza di aminoacidi, bisogna immaginare un mecanismo efficace di fissazione dell’azoto nell’ambito delle molecole a scheletto carbonioso.

Seguendo l’approccio di Granick, dobbiamo considerare il modo in cui si fissa l'azoto al giorno d’oggi. In generale, cio richiede la presenza di proteine contenenti un nucleo ferro-zolfo (come le ferredoxine) per assicurare il trasporto di elettroni intermedi, del molibdeno per la fissazione dell’azoto dell’aria, di un cofattore comprendente una molibdopterina, e del molibdeno per il trasporto di elettroni nel caso delle ossidazioni piu complesse. Il dettaglio generale dei trasporti elettronici non e ancora ben conosciuto, ed esiste una varieta piuttosto grande di meccanismi di assimilazione dell’azoto a seconda degli organismi considerati.

Le ferredoxine sono proteine molto piccole formate da un numero limitato di aminoacidi differenti, come ci si attende da proteine ancestrali, e contengono il nucleo ferro-zolfo, la cui esistenza e considerata di fondamentale importanza per le origini della vita da Wachtershnuser (per questo autore la pirite di ferro e uno dei minerali cruciali per il metabolismo primittivo). Il molibdeno e un elemento molto raro della crosta terrestre. ma non e chiaro se sia sempre stato tale. Del resto, altri metalli avrebbero potuto svolgere lo stesso ruolo in un'atmostera senza ossigeno (e il caso, ancora oggi, del tungsteno).

Ma la molibdopterina e anche un coenzima contenente zolfo (cio gli permette di fissarsi al nucleo ferro-zolfo o alla pirite), sintetizzato a partire da un nucleotide precursore, il GTP, per ciclizzazione con perdita di un gruppo con un atomo di carbonio, il residuo formile. Questa reazione e catalizzata dalla GTP cicloidrolasi, che forma la pteridina trifosfato a partire dal GTP, e libera un residuo formile (peraltro trasportato da coenzimi il cui nucleo e una pteridina). Non potremmo allora considerare la reazione inversa, che sarebbe un mezzo diretto per formare i nucleotidi ?

PteridinaTP + HCOOH ----> GTP.

Dovremmo allora formulare l’ipotesi che un processo autocatalitico assicurerebbe la sintesi di pteridina-fosfatto, necessaria alla fissazione dell’azoto, e che la sintesi dei nucleotidi non sarebbe che un sottoprodoto accidentale della mancanza di precisione di questa sintesi. Cosi il GTP sarebbe unicamente un sottoprodotto della fissazione dell’azoto. Questa ipotesi audace esige che ci si inrerroghi sulla sintesi delle pteridine a partire da (iso) peptidi. Ma l’esplorazione del metabolismo microbico che si sviluppa su ampia scala attorno ai programmi di sequenziamento di interi genomi dovrebbe permetterci presto di verificare se la direzione cosi delineata e interessante.

In conclusione, l’abbandono dell’ipotesi di un brodo ricco di molecole organiche come origine della vita, e la sua sostituzione con l’ipotesi di un merabolismo di superfide, e sempre piu suffragata da quanto si comincia a intravvedere circa la natura dei genomi. La vita forma un tutto, e dunque non e possibile dimenticare il metabolismo o la compartimentazione che ne fanno parte in modo integrante. Del resto, e l’idea di una chimica precorritrice dell'attuale metabolismo a fornire il filo d’Arianna che ci consente di ricostruire uno scenario d’origine. Man mano che si conoscono nuovi geni emerge che, al contrario di quanto si poteva temere, siamo senz’altro molto piu vicini all’origine - malgrado i tre miliardi e mezzo di anni di evoluzione - di quanto non pensassimo.

Tra le numerose consequenze concettuali di questa prospettiva vi e una diversa ottica nei confronti della chimica: le superfici vi giocano un ruolo di primo piano, ma allo stesso tempo l'idea di selezione e centrale. La chimica selettiva porrebbe essere non soltanto per i laboratori, ma anche per l’ndustria, una chimica del futuro. E l’ipotesi di Granick, secondo la quale la selettivita e stata progressiva, dovrebbe fungere da modello se vogliamo concepire una chimica del futuro a immagine della vita.

 

 
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