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Towards a Self-Amplifying Carbon-Fixing Anabolic Cycle

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Ripercorrere le tappe verso l’origine della vita

Com’è comparsa la vita sulla Terra? Un progetto, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, sta sostenendo la teoria secondo la quale la chimica auto-organizzata potrebbe essere stata determinante, dando luogo a processi che si sarebbero in seguito evoluti in metabolismi biologici così come li conosciamo oggi. Riprodurre tali reazioni in laboratorio potrebbe essere un primo passo verso processi chimici più ecologici.

Ricerca di base

Sappiamo che il metabolismo è un processo di sostegno vitale, ma in che modo è iniziato e quale ruolo ha svolto nella nascita della vita sulla Terra? Il progetto CARBONFIX (Towards a Self-Amplifying Carbon-Fixing Anabolic Cycle), che ha ricevuto i finanziamenti dal Consiglio europeo della ricerca, ha gettato nuova luce su questo interrogativo analizzando il modo in cui semplici molecole possono auto-organizzarsi per innescare reazioni chimiche analoghe a quelle che si verificano durante il metabolismo biologico. Il metabolismo degli organismi richiede enzimi come catalizzatori e tali enzimi possono essere prodotti solamente all’interno di cellule viventi. I ricercatori di CARBONFIX hanno individuato meccanismi analoghi a quelli coinvolti nel metabolismo, ma che possono verificarsi in particolari condizioni senza la presenza di enzimi. Il gruppo ha analizzato i processi metabolici usati da antiche forme di vita per trasformare la CO2 in composti organici e ha ricreato analogie non biologiche di tali vie di fissazione dell’anidride carbonica.

Imitare la natura

I due processi biologici trovati in antiche forme di vita che il progetto ha cercato di replicare sono più comunemente conosciuti come la via di Wood–Ljungdahl e il ciclo di Krebs inverso. «Entrambi trasformano la CO2, i protoni e gli elettroni in un piccolo insieme di molecole composte solo da carbonio, idrogeno e ossigeno, che inoltre si dà il caso siano gli elementi costitutivi universali della biochimica», afferma Joseph Moran, professore presso l’Istituto di scienza e ingegneria supramolecolare ISIS a Strasburgo, che ha ricevuto un contributo finanziario dal Consiglio europeo della ricerca per guidare CARBONFIX. «Nonostante molti scienziati pensino che le due vie, potenzialmente lavorando insieme, possano avere ricoperto un ruolo nell’origine della vita, finora c’erano scarse prove sperimentali a sostegno di questa idea.» Per simulare la via di Wood–Ljungdahl, i ricercatori hanno inserito ferro, nichel e cobalto metallici in acqua calda gassata. Ciò ha innescato una reazione che ha trasformato l’anidride carbonica in piruvato, acetato e formiato, i medesimi intermediari presenti nelle vie metaboliche. Il lavoro sul ciclo di Krebs inverso ha fornito simili conclusioni. Il team è stato in grado di mostrare che gli ioni metallici e il ferro metallico possono promuovere oltre la metà delle reazioni che costituiscono il ciclo in assenza di enzimi. Ulteriori ricerche mirano a ottenere il ciclo completo. Tali risultati potrebbero avere importanti conseguenze riguardo all’origine della vita, poiché essi indicano che queste vie biologiche potrebbero essere emerse prima dell’esistenza degli enzimi. «In questo modello, si verifica una chimica complessa e auto-organizzata non enzimaticamente ed è in seguito affinata dall’evoluzione per dare vita al metabolismo così come lo conosciamo oggi», spiega Moran. «Inoltre, tale modello fornirebbe informazioni dirette riguardo ai motivi per cui il metabolismo funziona in questo modo e perché è cominciato così.»

Sintesi ecologica

Oltre a fornirci nuovi indizi circa il nostro passato, il progetto CARBONFIX può avere aperto nuove prospettive per un futuro più verde: la produzione di un ciclo di Krebs inverso completo potrebbe assicurare un modo efficace di eliminare l’anidride carbonica dall’atmosfera. Inoltre, le reazioni rivelate potrebbero rappresentare un primo passo verso lo sviluppo di metodi per convertire la CO2 in sostanze chimiche utili individuando catalizzatori semplici ed economici. «L’acido acetico è uno dei principali componenti dell’aceto, mentre l’acido piruvico è utile per la ricerca biologica», aggiunge Moran. Tuttavia, Moran avverte che sarà necessario ulteriore lavoro per raggiungere l’obiettivo: «Trovare un modo per trasformare i prodotti temporaneamente formati in un utile composto singolo potrebbe infine rendere questa prospettiva una soluzione praticabile. Stiamo attualmente collaborando con alcuni specialisti nell’ambito della catalisi eterogenea per esplorare questa possibilità.»

Parole chiave

CARBONFIX, origine della vita, metabolismo, chimica, enzimi, catalizzatori, via della fissazione della CO2, via di Wood–Ljungdahl, ciclo di Krebs inverso, sintesi ecologica

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