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Autocatalysis: A bottom-up approach to understanding the origins of life

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Modelli di cellule sintetiche aiutano i ricercatori a studiare le origini della vita

Una ricerca pionieristica su un processo biologico chiave ha gettato nuova luce sulle origini della vita e ha offerto agli scienziati nuovi modi per studiare gli organismi viventi.

Ricerca di base

Il fenomeno dell’autoriproduzione è stato ampiamente studiato non solo perché potrebbe spiegare come sia iniziata la vita, ma anche per il ruolo fondamentale che svolge in processi biologici che avvengono su base quotidiana. Tale fenomeno contribuisce a garantire l’autosufficienza dei sistemi biologici. «Le modalità con cui i sistemi chimici costituiti da materiali molto semplici possono diventare autocatalitici, nonché il livello di complessità chimica che può originarsi da tali sistemi “semplici”, sono argomenti tuttora non ben compresi», afferma Stephen Fletcher, coordinatore del progetto Autocat e docente di chimica presso l’Università di Oxford nel Regno Unito.

Sistemi auto-replicanti

Per affrontare tale questione, Fletcher si è prefisso di sviluppare semplici modelli di cellule in grado di autoriprodursi, così da approfondire ciò che si verifica al livello in cui le molecole chimiche diventano attive nei sistemi. Avvalendosi di due semplici unità chimiche costitutive per dare vita a prodotti più complessi, che a loro volta hanno poi originato strutture primitive simili a cellule, il coordinatore del progetto è stato in grado di chiarire le modalità di funzionamento di questi processi. I modelli così realizzati hanno permesso a Fletcher e al suo team di studiare i processi attraverso i quali la vita potrebbe aver avuto inizio in nuovi modi, consentendo alla chimica di entrare nel regno della biologia miliardi di anni fa. «Ciò che abbiamo fatto, in sostanza, è stato investigare», spiega. «Abbiamo mischiato diverse molecole per verificare la possibilità di sviluppare questi complessi sistemi auto-replicanti». Una svolta rivoluzionaria è avvenuta grazie alla riuscita creazione di sistemi auto-replicanti che, a grandi linee, rispecchiano il funzionamento dei sistemi biologici. Il gruppo di ricerca ha quindi mantenuto questi sistemi in uno stato di consumo energetico, che gli scienziati chiamano fuori equilibrio. «Siamo stati in grado di creare modelli di protocellule che si autoriproducono molto più avanzati di quanto sia stato sino ad oggi possibile», aggiunge Fletcher.

Modelli biologici realistici

Fletcher evidenzia che Autocat si è evoluto nel corso del tempo. Sebbene il progetto abbia consentito di compiere progressi nella comprensione dell’autocatalisi, lo sviluppo di sistemi sintetici fuori equilibrio ha aperto nuove opportunità di ricerca. «Ora possiamo esaminare i processi che si verificano quando mettiamo questi sistemi in competizione tra di loro, facendoli concorrere per risorse o elementi costitutivi», afferma Fletcher. «Esiste un prodotto che predomina? In tal caso, agisce un meccanismo di selezione? Per quale motivo?» La ricerca ha inoltre consentito a Fletcher di comprendere i benefici apportati dallo sviluppo di modelli biologici che riproducono la vita in modo più fedele. «Le reazioni autocatalitiche si configurano come un processo produttivo davvero rapido», osserva. «Non fanno altro che creare, creare e creare». «Ma la vita non funziona esattamente così», aggiunge. «Le persone nascono, vivono e poi muoiono. Le nostre cellule fanno lo stesso, non si riproducono all’infinito». Il progetto Autocat ha collocato Fletcher e il suo gruppo di ricerca in prima linea nello sviluppo di modelli riproduttivi funzionali che rispecchiano più fedelmente ciò che avviene a livello biologico. «In precedenza, cercavamo solamente di imitare il processo di replicazione cellulare», spiega. «Ora stiamo provando a sfruttare il consumo energetico e imitare altri fenomeni biologici più complessi». Fletcher sottolinea che un’intera comunità di ricerca è oggi impegnata ad approfondire il tema dei sistemi fuori equilibrio. «La bellezza della sovvenzione assegnata dal Consiglio europeo della ricerca risiede nel fatto che molto poco di ciò che stiamo attualmente facendo era previsto nella domanda di sussidio iniziale», afferma. «Siamo tuttavia riusciti a portare avanti il nostro progetto e rimanere all’avanguardia in un campo innovativo, un traguardo che sarebbe stato altrimenti impossibile senza la sovvenzione del CER».

Parole chiave

Autocat, biologico, autocatalitico, chimico, cellula, vita, molecole, energia, riproduzione

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