Ciclo di Krebs senza enzimi: è così che è nata la vita?

Il ciclo di Krebs è uno dei pilastri del metabolismo cellulare: il suo intreccio di metaboliti ed enzimi è stato descritto nel 1937 da Sir Hans Adolf Krebs, ma le origini evolutive di questa via metabolica rimangono ancora oggi poco chiare. Quando hanno fatto la loro comparsa queste reazioni così importanti per la vita? L’instaurarsi del ciclo di Krebs è stata una conseguenza della comparsa di enzimi specifici o piuttosto il contrario?

Dalle pagine di Nature Ecology and Evolution arriva finalmente la dimostrazione che, in opportune condizioni ambientali, una catena di reazioni chimiche può replicare il ciclo di Krebs, anche senza gli enzimi che oggi ne catalizzano ogni tappa. Un ciclo di Krebs senza enzimi potrebbe spiegare finalmente l’origine evolutiva del metabolismo e avvicinare lo sguardo degli scienziati al momento in cui la vita ha avuto origine.

Le tappe del ciclo di Krebs, come lo conosciamo oggi (Immagine: Wikimedia Commons).

Come si è instaurato il ciclo di Krebs?

Il ciclo di Krebs è una via fondamentale per il metabolismo energetico, la respirazione cellulare e l’ossidazione degli acidi grassi. Questa via metabolica porta anche alla formazione di precursori indispensabili per la biosintesi degli amminoacidi. Fin qui, tutto bene. O almeno fino a quando non si inizia a guardare al ciclo di Krebs in ottica evolutiva. Come mai diverse forme di vita, evolutivamente molto distanti, fanno tutte affidamento sulle stesse reazioni chimiche, quelle tipiche del ciclo di Krebs? Questo dato stupisce ancora di più se si considera che gli enzimi che catalizzano queste reazioni non sono conservati in modo altrettanto fedele.

La questione si fa ancora più spinosa se consideriamo un altro aspetto: come è possibile che gli enzimi del ciclo di Krebs siano stati plasmati dalla selezione darwiniana, se gli enzimi stessi sono costituiti da metaboliti (gli amminoacidi) prodotti dal ciclo di Krebs? Posto in questi termini, il problema da evolutivo si trasforma in filosofico. Un impasse  dal quale è difficile uscire; a meno che, all’origine della vita, il ciclo di Krebs avvenisse anche in assenza di enzimi. Perché questa ipotesi regga è però necessario dimostrare che, per ogni tappa del ciclo, un metabolita può essere trasformato in un altro grazie a semplici reazioni chimiche.

 

Il ciclo di Krebs senza enzimi: magia o realtà?

Questa ipotesi è stata avanzata già in passato e, nella maggior parte dei casi, dismessa rapidamente dagli esperti del settore. Persino Leslie Orgel, una delle menti da cui scaturì la teoria del mondo primordiale a RNA, considerò una simile ipotesi «pura magia». Eppure esistono dati che suggeriscono che alcuni metaboliti del ciclo di Krebs potrebbero formarsi mediante reazioni inorganiche, cioè in assenza di enzimi catalizzatori.
La visione degli scienziati ha subito una svolta quando, all’interno di meteoriti, sono state rinvenute tracce di acido citrico, acido piruvico e di altri intermedi del ciclo di Krebs. Significativa è stata anche la scoperta che l’acido citrico e altri metaboliti possono interconvertirsi gli uni negli altri quando esposti a una potente sorgente di luce ultravioletta. Tanto è bastato per suggerire agli scienziati che – magia o no – una versione non-enzimatica del ciclo di Krebs fosse possibile.

 

Radicali solfato: l’ingrediente che cambia tutto

Per dimostrare che l’intera via metabolica del ciclo di Krebs è possibile anche in assenza di enzimi, i ricercatori del Francis Crick Institute e dell’Università di Cambridge nel Regno Unito hanno eseguito in modo sistematico e con tecnologie high-throughput oltre 4800 esperimenti: l’obiettivo era quello di analizzare la reattività degli intermedi del ciclo di Krebs in diverse condizioni ambientali.

L’origine del ciclo di Krebs a partire da reazioni chimiche primordiali (Immagine: The Francis Crick Institute).

Dagli esperimenti è emerso che, in presenza di molti composti del ferro gli intermedi del ciclo di Krebs erano completamente inerti. Le cose sono però cambiate quando all’ambiente di reazione sono stati aggiunti radicali solfato SO4•-, che, come il ferro, erano abbondanti nella Terra primordiale. I radicali solfato hanno innescato ben 24 diverse reazioni non-enzimatiche, che replicano tutte le interconversioni chiave del ciclo di Krebs: dalla reazione di isomerizzazione a quelle di ossidazione, dal ciclo del gliossilato alla via della semialdeide succinica. Assemblate in un ciclo di tappe biochimiche interconnesse tra di loro, queste reazioni hanno permesso di recuperare il 90% degli atomi di carbonio.

 

Da magia pura a ipotesi plausibile

Un ciclo di Krebs non-enzimatico potrebbe quindi essere stata la via metabolica che ha dato il calcio d’inizio alla vita sul nostro pianeta. Solo in un tempo successivo si sarebbe innestata su questo ciclo metabolico l’azione di enzimi specifici, selezionati per via darwiniana nelle generazioni successive.

 

Immagine Box e Banner: Pixabay

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