Costruzione dello scheletro dell'uracile in stagni primitivi alle origini della vita: carbamoilazione dell'acido aspartico

Mar 16, 2024

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19178 (2022) Citare questo articolo

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Nei meteoriti si trova un ampio insieme di basi azotate e amminoacidi, il che implica che nel sistema solare sono presenti diversi serbatoi chimici. L’ipotesi della “continuità geochimica” esplora come i percorsi protometabolici si siano sviluppati dai cosiddetti “mattoni” in un mondo prebiotico privo di enzimi e come abbiano influenzato le origini della vita. Nella cellula vivente, il secondo passaggio della sintesi dei monomeri di RNA di uridina e citidina è il trasferimento del carbamoile da un donatore di carbamoile all'acido aspartico. Qui confrontiamo due scenari privi di enzimi: scenari di superficie acquosa e minerale in un intervallo termico fino a 250 °C. Entrambi i processi potrebbero essere avvenuti in stagni sotto atmosfera aperta sulla Terra primordiale. La carbamoilazione dell'acido aspartico con cianato in soluzioni acquose a 25 °C fornisce rese elevate di acido N-carbamoil aspartico entro 16 ore. È importante sottolineare che, mentre varie molecole potrebbero essere efficienti agenti carbamoilanti secondo la termodinamica, la cinetica gioca un ruolo determinante nella selezione dei percorsi prebiotici possibili.

La questione dell'emergere delle prime forme di vita, di cui non sappiamo nulla e tuttavia sono i discendenti darwiniani, può essere affrontata dal punto di vista della transizione dall'inerte al vivente. L’ipotesi della “continuità geochimica”1 afferma che, ad un certo punto dell’evoluzione della vita, parti chiave delle vie metaboliche ricapitolano reazioni che precedentemente si verificavano in un contesto non biologico. È allo stesso tempo parsimonioso e falsificabile, e anche compatibile con l’idea che la vita si sia sviluppata in un processo continuo piuttosto che come uno “strano incidente”. Inoltre, i percorsi protometabolici da semplici precursori abbondanti possono rifornire continuamente gli elementi costitutivi biochimici, evitando il problema di esaurimento riscontrato con scenari di rilascio esogeno2,3. In questa ipotesi, le strutture che definiscono la vita (metabolismo, informazione, compartimenti) potrebbero essere state avviate lungo gli stessi percorsi generali, ma con altre alternative per il controllo cinetico (inorganico, incluso quello eterogeneo, catalisi) e termodinamico (energia libera emessa dalle fluttuazioni macroscopiche dell'ambiente). ) rispetto a quelli che osserviamo oggi negli organismi4,5.

In questa linea di pensiero, stiamo esplorando una sequenza metabolica tipica della biosintesi nucleotidica, la sintesi de novo delle pirimidine (via dell'orotato), con l'obiettivo di trasporla in un ambiente abiotico. La biosintesi non enzimatica della pirimidina è stata oggetto di molto interesse ultimamente, sia attraverso tentativi di trasposizione della via dell'orotato6, sia attraverso percorsi alternativi che coinvolgono diversi precursori7. In una precedente pubblicazione, abbiamo considerato il potenziale prebiotico del carbamoil fosfato, un agente carbamoilante attivato utilizzato all’inizio di questo percorso biochimico. Nel presente studio ci concentriamo sulla formazione dell'acido N-carbamoil-aspartico (NCA), il precursore a 7 atomi della struttura dell'uracile.

L'NCA, chiamato anche acido ureidosuccinico8, esiste in tutte le specie viventi, dai batteri agli eucarioti. L'NCA è presente nel citoplasma, negli escrementi (saliva) e negli organi (prostata). Viene sintetizzato dal carbamoil fosfato e dall'acido L-aspartico attraverso l'azione dell'enzima aspartato carbamoiltransferasi (ATCase)9. Poiché svolge un ruolo chiave nel metabolismo dell'aspartato e della pirimidina, è coinvolto in diverse disfunzioni come la malattia di Canavan e il deficit di diidropirimidinasi10.

Dopo un ulteriore passaggio di ciclizzazione, NCA forma lo scheletro centrale dell'acido orotico11,12, il precursore dell'uracile5,13,14 (Fig. 1), quindi è un importante bersaglio prebiotico per verificare se l'ipotesi di continuità geochimica è valida.

Attuale biosintesi della pirimidina in vivo lungo la via dell'orotato. Il passaggio studiato qui è inscatolato.

In lavori precedenti, abbiamo dimostrato che il carbamoil fosfato (CP) è piuttosto instabile in condizioni prebiotiche, ma produce altre due molecole contenenti ancora la porzione carbamoilica ricca di energia: cianato e urea15. È quindi improbabile che la stessa CP fosse coinvolta in una via di carbamoilazione prebiotica. Tuttavia, merita di essere esplorato il potenziale dei composti di tipo cianato e urea come agenti carbamoilanti alternativi. I composti cianato e simili all'urea possono essere prodotti attraverso diversi percorsi in contesti prebiotici, contrariamente al carbamoil fosfato16. Pertanto, abbiamo prima studiato la sintesi NCA attraverso la reazione tra cianato e acido L-aspartico in condizioni acquose alcaline. Quindi, abbiamo anche valutato scenari di superficie minerale che comportano fasi di essiccazione al fine di testare le previsioni dell'ipotesi di continuità geochimica, inclusa l'idea che i catalizzatori minerali possano imitare il ruolo degli enzimi (Fig. 2).