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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
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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.

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