Perché tutte le proteine ​​sono “mancine”?

Perché tutte le proteine ​​sono “mancine”? Una nuova teoria potrebbe risolvere il mistero dell’origine della vita. Gli esperimenti suggeriscono che la velocità delle reazioni chimiche spiega come le coppie di aminoacidi, e forse il DNA e l’RNA, vengono influenzati dall’uso di “una sola mano”.

C’è un pregiudizio nel cuore della vita e la sua origine è un mistero duraturo. Quasi tutti gli aminoacidi che costituiscono le proteine ​​oggi esistono in forme speculari, come i guanti per destrimani e mancini. Ma la vita utilizza solo mancini, anche se entrambe le forme avrebbero dovuto essere ugualmente abbondanti durante gli albori del pianeta e potrebbero facilmente collegarsi in laboratorio. Qualcosa deve aver fatto pendere la bilancia a favore dei mancini nel brodo primordiale e da allora ha preservato il pregiudizio.

Ora, un trio di ricercatori statunitensi propone una nuova spiegazione. I ricercatori riferiscono su Nature che monitorando i tassi di formazione di coppie di aminoacidi, chiamati dipeptidi, hanno trovato molteplici meccanismi che alla fine promuovono dipeptidi i cui due membri condividono la stessa manualità.

“È abbastanza convincente“, afferma Gerald Joyce, un pioniere della chimica delle origini della vita e Presidente del Salk Institute for Biological Studies, che non è stato coinvolto nello studio. I ricercatori sperano poi di scoprire se gli stessi meccanismi distorcono i peptidi e le proteine ​​più grandi verso i mancini e se possono spiegare la distorsione opposta nell’RNA e nel DNA, le cui basi hanno zuccheri che sono inevitabilmente destrogiri. Se così fosse, i nuovi meccanismi potrebbero spiegare come la vita stessa abbia assunto una forma speculare e non un’altra.

Negli ultimi decenni sono state avanzate diverse spiegazioni per la chiralità della vita, poiché è nota la tendenza verso una particolare manualità. Ad esempio, è stato dimostrato che i meteoriti, che potrebbero aver seminato la Terra primordiale, ospitano amminoacidi con un’abbondanza di chiralità levogira, forse perché il loro contenuto era esposto alla luce polarizzata. Oppure i campi magnetici sulla Terra primordiale potrebbero aver dato una svolta alle prime biomolecole. Ma anche se qualche forza esterna ha impartito un pregiudizio iniziale, cosa lo ha propagato?

Un indizio viene dal recente lavoro di Matthew Powner, un chimico delle origini della vita presso l’University College di Londra e dei suoi colleghi. Negli ultimi 5 anni, il gruppo di Powner ha scoperto una serie di molecole a base di zolfo che probabilmente sarebbero state presenti sulla Terra primordiale e ha dimostrato come collegano facilmente i singoli amminoacidi ai precursori di amminoacidi, chiamati aminonitrili, formando dipeptidi. Poiché queste reazioni avvengono nell’acqua e funzionano con tutti gli amminoacidi presenti negli organismi viventi, offrono un percorso plausibile su come potrebbero essersi formate le prime proteine.

Il team di Powner non ha verificato se i suoi catalizzatori a base di zolfo presentassero una distorsione chirale. È qui che Donna Blackmond, una chimica delle origini della vita presso lo Scripps Research e i suoi colleghi Min Deng e Jinhan Yu, hanno raccolto il testimone. Hanno testato due composti di zolfo di Powner per vedere se i catalizzatori erano sensibili alla chiralità mentre formavano dipeptidi. Lo erano, ma non nel modo in cui Blackmond si aspettava. I catalizzatori hanno creato circa quattro volte più dipeptidi “eterochirali” – quelli che accoppiano un amminoacido levogiro (L) con uno destrorso (D) – rispetto ai prodotti completamente chirali. “Abbiamo pensato che fosse una brutta notizia”, ​​dice Blackmond, perché suggeriva che anche se gli amminoacidi sulla Terra primordiale fossero partiti con un errore, sarebbero stati rimescolati man mano che si formavano le proteine.

Ma man mano che Blackmond e i suoi colleghi osservavano più in profondità, le notizie miglioravano. In una serie di esperimenti, i ricercatori dello Scripps hanno iniziato con proporzioni distorte di aminoacidi L e D, ad esempio 60% Ls e 40% Ds. I dipeptidi eterochirali L,D e D,L si sono formati più rapidamente e, mentre lo facevano, hanno estratto dalla miscela un numero uguale di amminoacidi L e D. A causa della distorsione della linea di base, alla fine una predominanza di L è rimasta nel pool di amminoacidi non reagiti, aumentando la probabilità di formare dipeptidi completamente mancini. “È come un effetto domino“, afferma Powner. La prima reazione eterochirale alla fine incoraggia la formazione di più omochirali. “Ed è un processo generale che funziona con tutti gli aminoacidi”, afferma Powner. Joyce aggiunge: “È solo matematica”.

Esperimenti di follow-up hanno suggerito un secondo pregiudizio che amplifica l’effetto. Il team ha scoperto che i dipeptidi eterochirali precipitano fuori da una soluzione più rapidamente di quelli omochirali, accelerando la strada verso un’abbondanza relativa di coppie L,L o D,D omochirali, a seconda della miscela iniziale. “Il motivo per cui si verifica questa distorsione delle precipitazioni non è ancora chiaro“, afferma Blackmond. “Tuttavia“, afferma Joyce, “insieme all’altro effetto, si adatta perfettamente ai dati sperimentali”. Blackmond aggiunge: “La risposta sbagliata si è rivelata essere la risposta giusta per portarci all’omochiralità”.

Per ora, questa spinta verso una particolare manualità è stata dimostrata solo con i dipeptidi. Ma Blackmond afferma che il lavoro preliminare suggerisce che lo stesso processo di distorsione si svolge quando i catalizzatori di zolfo uniscono insieme peptidi corti in catene peptidiche più lunghe.

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Joyce pensa che sia possibile che lo stesso tipo di matematica possa anche aiutare a spiegare come le molecole genetiche della vita abbiano acquisito la loro manualità. “Ciò potrebbe accadere con tutti i tipi di altre cose, come l’RNA“, dice. “Forse è stato solo un lancio statistico della moneta a causare la formazione di un pregiudizio originale verso gli elementi costitutivi dell’uso di “una sola mano” “, aggiunge. “Ma una volta lanciata quella moneta, ne sono state lanciate altre“.

Immagine:reazioni chimiche distorte all’interno del brodo primordiale sulla Terra potrebbero aver portato a coppie di amminoacidi completamente mancine (a destra), anche se alcune con manualità mista (a sinistra) sono state inizialmente rese più veloci. N. BURGESS/ SCIENZA.

Fonte: Science