Come sono iniziate le prime reazioni chimiche all'origine della vita e qual è stata la loro fonte di energia? I ricercatori dell'Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU) hanno ricostruito il metabolismo dell'ultimo antenato comune universale, LUCA. Hanno scoperto che quasi tutti i passaggi chimici utilizzati dalla vita primordiale per mettere insieme i mattoni molecolari delle cellule sono reazioni di rilascio di energia. Questo ha identificato la fonte di energia a lungo ricercata necessaria per portare avanti queste reazioni. L'energia necessaria per sintetizzare gli elementi costitutivi della vita proviene dall'interno del metabolismo stesso, purché sia incluso un composto di partenza essenziale. L'ingrediente segreto che rilascia l'energia dall'interno all'origine della vita è il più pulito, il più verde, il più nuovo e il più antico di tutti i vettori energetici: idrogeno gassoso, H2.
Il team del Prof. Dr. William Martin dell'Istituto per l'Evoluzione Molecolare dell'HHU indaga su come e dove è sorta la vita sulla Terra primordiale. Il loro approccio è sperimentale e computazionale. In laboratorio, eseguono esperimenti chimici per studiare le reazioni tra idrogeno e anidride carbonica, CO2, utilizzando catalizzatori e condizioni che si trovano nelle prese d'aria idrotermali sottomarine. Al computer, hanno sviluppato una forma di archeologia molecolare che consente loro di scoprire le molte tracce diverse di vita primordiale che sono conservate nelle proteine, nel DNA e nelle reazioni chimiche delle cellule moderne.
Nel loro ultimo lavoro, hanno studiato la questione di quale tipo di ambiente chimico ha favorito le reazioni chimiche che hanno dato origine al metabolismo, e da dove proveniva l'energia che era necessaria per portare avanti quelle reazioni. Per fare ciò, non hanno guardato ai geni, ma alle informazioni contenute nelle reazioni chimiche della vita stessa. Hanno identificato 402 reazioni metaboliche che sono rimaste praticamente invariate dall'origine della vita circa 4 miliardi di anni fa. Poiché queste reazioni sono comuni a tutte le cellule, erano presenti anche in LUCA. Hanno fatto luce su come la vita primordiale ha affrontato l'energia nel metabolismo e dove ha ottenuto l'energia necessaria per far andare avanti le reazioni chimiche della vita.
Jessica Wimmer, dottoranda dell'istituto e autrice principale del nuovo articolo, era particolarmente interessata al bilancio energetico delle reazioni metaboliche di LUCA, perché tutta la vita richiede energia. Per questo ha fatto un catalogo delle 402 reazioni che le cellule moderne semplici e antiche, usano per costruire gli elementi costitutivi della vita: i 20 amminoacidi, le basi del DNA e dell' RNA e le 18 vitamine (cofattori) che sono essenziali per il metabolismo. Nella più primitiva delle cellule moderne, e nelle analisi al computer di Wimmer, questi composti sono sintetizzati da molecole semplici che sono presenti nell'ambiente moderno e che erano presenti anche nelle prese d'aria idrotermali sulla Terra primordiale: idrogeno (H2), anidride carbonica (CO2) e ammoniaca (NH3). Il risultato è stata la rete metabolica di LUCA.
Alla domanda sulla motivazione alla base della domanda centrale del nuovo studio, Jessica Wimmer ha spiegato: "Volevamo sapere da dove proveniva l'energia che ha spinto in avanti il metabolismo primordiale. All'inizio delle reazioni metaboliche circa 4 miliardi di anni fa, non c'erano proteine o enzimi per catalizzare le reazioni perché non si erano ancora evolute. Il metabolismo doveva nascere da reazioni che potevano avvenire nell'ambiente, magari con l'aiuto di catalizzatori inorganici. Ma catalizzatori o no, per andare avanti, le reazioni devono rilasciare energia. Da dove viene quell'energia? Ci sono stati molti suggerimenti per possibili fonti di energia metabolica in letteratura. Ma nessuno ha mai esaminato le reazioni del metabolismo stesso". Per trovare fonti di energia nelle reazioni metaboliche, il team ha calcolato la quantità di energia libera, chiamata anche energia di Gibbs, che viene rilasciata o consumata in ogni reazione.
Il risultato è stato che il metabolismo di LUCA non richiedeva alcuna fonte esterna di energia come la luce UV, gli impatti di meteoriti, le eruzioni vulcaniche o la radioattività. Al contrario, in un ambiente tipico di molte moderne bocche idrotermali sottomarine, l'energia necessaria affinché le reazioni del metabolismo vadano avanti deriva dall'interno del metabolismo stesso. In altri termini, quasi tutte le reazioni metaboliche di LUCA liberano energia da sole: l'energia per la vita deriva dalla vita stessa. Martin, autore senior dello studio, afferma che "tutto ciò è eccitante, perché le 400 reazioni interconnesse del metabolismo centrale, che sembrano così irrimediabilmente complesse a primo impatto, rivelano improvvisamente una tendenza naturale ad avvenire da sole nelle giuste condizioni".
Per arrivare a questa conclusione, il team ha dovuto prima indagare l'energetica delle 402 reazioni, utilizzando programmi che simulano diverse condizioni ambientali, in modo da distinguere combinazioni energeticamente favorevoli da quelle sfavorevoli. Questo è importante perché se una reazione rilascia o meno energia spesso dipende dalle condizioni ambientali. Hanno esaminato condizioni che vanno da pH 1 (acido) a pH 14 (alcalino), temperature da 25 a 100 °C e diverse quantità relative di reagenti ai prodotti. Hanno guardato con particolare attenzione al ruolo energetico dell'idrogeno. Wimmer ha osservato che "senza idrogeno, non succede nulla, perché l'idrogeno è necessario per ottenere carbonio dal CO2 incorporato nel metabolismo."
Le condizioni energeticamente ottimali rientrano in un intervallo di pH alcalino intorno a pH 9 e una temperatura intorno a 80 °C, Martin spiega che "queste condizioni sono simili a ciò che vediamo a Lost City, presso i giacimenti idrotermali nel Medio Atlantico. In un ambiente del genere, circa il 95-97% delle reazioni metaboliche di LUCA potrebbe andare avanti spontaneamente, cioè senza la necessità di nessun'altra fonte di energia. Nell'oscurità abissale dei sistemi idrotermali, H2 è la luce solare chimica. La moderna ricerca energetica sfrutta esattamente le stesse proprietà dell'idrogeno della vita. È solo che la vita ha quattro miliardi di anni di esperienza sulla tecnologia dell'idrogeno, mentre noi siamo solo all'inizio".