Sbloccare la chimica primordiale della Terra: il sale

Miliardi di anni fa, la Terra era un pianeta estremamente ostile con vulcani attivi, un’atmosfera ostile e certamente senza vita! Questa Terra prebiotica, tuttavia, era piena di una vasta gamma di molecole organiche abiotiche derivate dal suo ambiente primordiale, che subirono reazioni chimiche che alla fine portarono all’origine della vita. Una classe di tali molecole abiotiche abbondanti durante l’era prebiotica erano i monomeri 𝛼-idrossiacidi (𝛼HA) con strutture in qualche modo simili a quelle degli 𝛼-amminoacidi essenziali per la vita moderna. Tuttavia, la loro attuale abbondanza in biologia è bassa.

Le microgocce di poliestere generate dalla disidratazione e reidratazione dei monomeri 𝛼HA sono state proposte come modelli di protocellule e avrebbero potuto essere un tipo di compartimento primitivo che interagiva e assorbiva vari analiti primitivi, come i sali all'interno di ambienti acquosi primitivi. Tuttavia, le interazioni sale-poliestere e l’assorbimento del sale all’interno delle microgocce di poliestere rimangono scarsamente studiate a causa della mancanza di tecniche analitiche appropriate.

Per colmare questa lacuna nella comprensione, un team di ricercatori guidato dal ricercatore speciale post-dottorato Chen Chen del RIKEN (ex Tokyo Institute of Technology) e dal professore associato appositamente nominato Tony Z. Jia dell'Earth-Life Science Institute del Tokyo Institute of Technology hanno recentemente hanno ideato una nuova strategia per studiare l'effetto dell'assorbimento del sale sulle microgocce di poliestere. La loro svolta, pubblicata su Small Methods il 18 maggio 2023, ha proposto un nuovo modo di utilizzare i metodi spettroscopici e biofisici esistenti per caratterizzare l’assorbimento del sale da parte delle microgocce di poliestere e comprendere il loro comportamento mediato dal sale.

"Le molecole primitive come 𝛼HA e poliesteri, sebbene non così comunemente utilizzate dagli attuali sistemi viventi come gli amminoacidi, potrebbero aver gettato le basi per l'evoluzione dei sistemi chimici primitivi che hanno portato all'origine della vita sulla Terra. Esaminando l'interazione dei poliesteri con diversi analiti prebiotici come i sali e determinare se le goccioline di poliestere possono assorbire i sali possono fornire informazioni sulle funzioni rilevanti esibite dai compartimenti primitivi," spiega il prof. Jia.

𝛼Gli HA come l'acido ᴅʟ-3-fenillattico (PA) possono subire disidratazione in condizioni che imitano la Terra primordiale per formare poliesteri gelatinosi; un'ulteriore reidratazione porta all'assemblaggio di microgocce senza membrana. È stato precedentemente scoperto che queste goccioline senza membrana segregano analiti primitivi come acidi nucleici, piccole molecole organiche e proteine.

Gli studi hanno ipotizzato che la vita abbia avuto origine e si sia evoluta in antichi ambienti acquosi. Se le microgocce di poliestere esistessero in ambienti acquosi primitivi, allora avrebbero potuto assorbire anche i sali, un importante analita trovato negli ambienti acquosi primitivi, che avrebbero potuto successivamente modificare anche la struttura delle microgocce. Pertanto, il team ha sottoposto vari 𝛼HA, come PA (un monomero neutro), acido malico (un monomero con una catena laterale acida) e acido 4-ammino-2-idrossibutirrico (un monomero con una catena laterale basica) alla sintesi di disidratazione , seguita dalla reidratazione in mezzo acquoso per generare microgocce di poliestere neutre, contenenti residui acidi e contenenti residui basici. In effetti, questo studio è stato il primo a dimostrare la plausibilità delle microgocce di poliestere contenenti residui acidi! Hanno poi incubato le microgocce di poliestere in soluzioni acquose costituite da diverse concentrazioni di diversi sali di cloruro (NaCl, KCl, MgCl2 e CaCl2) che potrebbero essere stati abbondanti nei primi oceani.

Dopo l'assorbimento del sale, le microgocce di poliestere sono state sottoposte a una nuova tecnica analitica che utilizza la spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS) per analizzare la concentrazione di cationi salini all'interno delle microgocce. Le analisi sono state eseguite in collaborazione con i ricercatori del Pheasant Memorial Lab presso l’Institute of Planetary Materials dell’Università di Okayama, dove si trovava l’ICP-MS, come parte di una sovvenzione collaborativa per l’uso congiunto. Inoltre, in collaborazione con altri membri, ciascuno con specialità uniche, il team ha poi accoppiato l'ICP-MS con altri metodi analitici spettroscopici e biofisici, come l'analisi del potenziale zeta, la densità ottica, la diffusione dinamica della luce e l'imaging micro-Raman per studiare in dettaglio in che modo l'assorbimento del sale influisce rispettivamente sul potenziale superficiale, sulla torbidità delle goccioline, sulle dimensioni e sulla distribuzione interna dell'acqua delle microgocce.