L’evoluzione, nel corso di miliardi di anni, ha reso le cellule moderne incredibilmente complesse. All’interno delle cellule, ci sono piccoli compartimenti chiamati organelli che svolgono funzioni specifiche essenziali per la sopravvivenza e il funzionamento della cellula stessa. Ad esempio, il nucleo conserva il materiale genetico, mentre i mitocondri producono energia.
Un altro elemento fondamentale di una cellula è la membrana che la racchiude. Le proteine presenti sulla superficie della membrana regolano il movimento delle sostanze dentro e fuori dalla cellula. Questa struttura sofisticata ha permesso la complessità della vita come la conosciamo oggi. Ma come facevano le prime, semplici cellule a mantenere la loro integrità prima che si evolvessero strutture di membrana così elaborate?
Nel nostro recente studio pubblicato sulla rivista Science Advances, io e i miei colleghi dell’Università di Chicago e dell’Università di Houston abbiamo esplorato una possibilità affascinante: l’acqua piovana potrebbe aver giocato un ruolo cruciale nel stabilizzare le prime cellule, aprendo la strada alla complessità della vita.
La nascita della vita
Il mistero dell’origine
Uno dei quesiti più intriganti della scienza è come la vita abbia avuto inizio sulla Terra. Gli scienziati si sono a lungo interrogati su come la materia non vivente, come acqua, gas e depositi minerali, si sia trasformata in cellule viventi capaci di replicazione, metabolismo ed evoluzione.
Nel 1953, i chimici Stanley Miller e Harold Urey dell’Università di Chicago condussero un esperimento che dimostrò che composti organici complessi – cioè molecole a base di carbonio – potevano essere sintetizzati da composti organici e inorganici più semplici. Utilizzando acqua, metano, ammoniaca, idrogeno e scintille elettriche, questi chimici formarono amminoacidi.
L’esperimento di Miller-Urey dimostrò che i composti organici complessi possono essere creati da materiali organici e inorganici più semplici.
Protocellule e condizioni primordiali
Gli scienziati ritengono che le forme di vita più antiche, chiamate protocellule, siano emerse spontaneamente da molecole organiche presenti sulla Terra primordiale. Queste strutture primitive, simili a cellule, erano probabilmente costituite da due componenti fondamentali: un materiale di matrice che forniva una struttura e un materiale genetico che conteneva le istruzioni per il funzionamento delle protocellule.
Col tempo, queste protocellule avrebbero gradualmente sviluppato la capacità di replicarsi ed eseguire processi metabolici. Perché le reazioni chimiche essenziali avvengano, sono necessarie determinate condizioni, come una fonte di energia costante, composti organici e acqua. I compartimenti formati da una matrice e una membrana forniscono un ambiente stabile che può concentrare i reagenti e proteggerli dall’ambiente esterno, permettendo alle reazioni chimiche necessarie di avvenire.
Modelli di protocellule
Bolle e gocce
Gli scienziati propongono che due modelli distinti di protocellule – vescicole e coacervati – possano aver giocato un ruolo cruciale nelle prime fasi della vita.
Le vescicole sono piccole bolle, simili al sapone nell’acqua. Sono costituite da molecole grasse chiamate lipidi che formano naturalmente fogli sottili. Le vescicole si formano quando questi fogli si arrotolano in una sfera che può incapsulare sostanze chimiche e proteggere reazioni cruciali da ambienti ostili e potenziali degradazioni.
Come piccole tasche di vita, le vescicole assomigliano alla struttura e alla funzione delle cellule moderne. Tuttavia, a differenza delle membrane delle cellule moderne, le protocellule vescicolari avrebbero mancato di proteine specializzate che permettono selettivamente alle molecole di entrare e uscire da una cellula e consentono la comunicazione tra cellule. Senza queste proteine, le protocellule vescicolari avrebbero avuto una capacità limitata di interagire efficacemente con il loro ambiente, limitando il loro potenziale per la vita.
Coacervati: gocce senza membrana
I coacervati, d’altra parte, sono gocce formate da un accumulo di molecole organiche come peptidi e acidi nucleici. Si formano quando le molecole organiche si attaccano tra loro a causa di proprietà chimiche che le attraggono l’una all’altra, come le forze elettrostatiche tra molecole con cariche opposte. Queste sono le stesse forze che fanno aderire i palloncini ai capelli.
Si può immaginare i coacervati come gocce di olio da cucina sospese nell’acqua. Simili alle gocce di olio, le protocellule coacervate mancano di una membrana. Senza una membrana, l’acqua circostante può facilmente scambiare materiali con le protocellule. Questa caratteristica strutturale aiuta i coacervati a concentrare le sostanze chimiche e accelerare le reazioni chimiche, creando un ambiente vivace per i mattoni della vita.
Stabilità delle protocellule
Protocellule instabili e permeabili
Pochi anni dopo che i chimici olandesi scoprirono le gocce di coacervato nel 1929, il biochimico russo Alexander Oparin propose che i coacervati fossero il modello più antico di protocellule. Egli sostenne che le gocce di coacervato fornivano una forma primitiva di compartimentazione cruciale per i primi processi metabolici e l’auto-replicazione.
Successivamente, gli scienziati scoprirono che i coacervati possono talvolta essere composti da polimeri con cariche opposte: lunghe molecole simili a spaghetti su scala molecolare, che portano cariche elettriche opposte. Quando i polimeri con cariche elettriche opposte vengono mescolati, tendono ad attrarsi e ad attaccarsi per formare gocce senza una membrana.
L’assenza di una membrana presentava una sfida: le gocce si fondono rapidamente tra loro, simili a singole gocce di olio nell’acqua che si uniscono in una grande massa. Inoltre, la mancanza di una membrana permetteva all’RNA – un tipo di materiale genetico ritenuto la forma più antica di molecola auto-replicante, cruciale per le prime fasi della vita – di scambiarsi rapidamente tra protocellule.
Acqua piovana e stabilità dell’RNA
Uno studio che ho condotto nel 2022 ha dimostrato che le gocce di coacervato possono essere stabilizzate ed evitare la fusione se immerse in acqua deionizzata – acqua priva di ioni e minerali disciolti. Le gocce espellono piccoli ioni nell’acqua, permettendo probabilmente ai polimeri con cariche opposte sulla periferia di avvicinarsi l’uno all’altro e formare uno strato di pelle a maglia. Questo “muro” a maglia impedisce efficacemente la fusione delle gocce.
Successivamente, con i miei colleghi e collaboratori, tra cui Matthew Tirrell e Jack Szostak, ho studiato lo scambio di materiale genetico tra protocellule. Abbiamo posto due popolazioni separate di protocellule, trattate con acqua deionizzata, in provette. Una di queste popolazioni conteneva RNA. Quando le due popolazioni sono state mescolate, l’RNA è rimasto confinato nelle rispettive protocellule per giorni. I “muri” a maglia delle protocellule hanno impedito all’RNA di fuoriuscire.
Al contrario, quando abbiamo mescolato protocellule non trattate con acqua deionizzata, l’RNA si è diffuso da una protocellula all’altra in pochi secondi.
Ispirato da questi risultati, il mio collega Alamgir Karim si è chiesto se l’acqua piovana, che è una fonte naturale di acqua priva di ioni, potesse aver fatto lo stesso nel mondo prebiotico. Con un altro collega, Anusha Vonteddu, ho scoperto che l’acqua piovana stabilizza effettivamente le protocellule contro la fusione.
Riteniamo che la pioggia possa aver aperto la strada alle prime cellule.
Collaborazione interdisciplinare
Unire le forze per comprendere l’origine della vita
Studiare le origini della vita affronta sia la curiosità scientifica sui meccanismi che hanno portato alla vita sulla Terra sia le domande filosofiche sul nostro posto nell’universo e sulla natura dell’esistenza.
Attualmente, la mia ricerca si concentra sull’inizio della replicazione genetica nelle protocellule. In assenza delle proteine moderne che copiano i geni all’interno delle cellule, il mondo prebiotico avrebbe fatto affidamento su semplici reazioni chimiche tra nucleotidi – i mattoni del materiale genetico – per creare copie di RNA. Comprendere come i nucleotidi si siano uniti per formare una lunga catena di RNA è un passo cruciale per decifrare l’evoluzione prebiotica.
Per affrontare la profonda questione dell’origine della vita, è fondamentale comprendere le condizioni geologiche, chimiche e ambientali sulla Terra primordiale circa 3,8 miliardi di anni fa. Pertanto, scoprire gli inizi della vita non è limitato ai biologi. Ingegneri chimici come me, e ricercatori di vari campi scientifici, stanno esplorando questa affascinante questione esistenziale.
