La straordinaria scoperta dei componenti genetici primordiali nell’asteroide Ryugu, trovate tutte e 5 le “lettere” genetiche del DNA e dell’RNA

La ricerca scientifica sulle origini della vita sul nostro pianeta ha raggiunto un traguardo fondamentale grazie all’analisi dettagliata di campioni incontaminati restituiti dallo spazio profondo. Gli scienziati hanno confermato la presenza di tutte e cinque le nucleobasi canoniche all’interno dell’asteroide carbonioso ryugu, dimostrando che i blocchi costitutivi del DNA e dell’RNA non sono un’esclusiva terrestre ma fanno parte dell’inventario chimico universale del sistema solare.

I mattoni fondamentali del codice genetico nello spazio

Per comprendere appieno la portata di questa scoperta, occorre considerare che il codice genetico di ogni organismo vivente si basa su sequenze specifiche di molecole chiamate nucleobasi. Queste molecole si suddividono in due famiglie chimiche distinte: le purine, che comprendono adenina e guanina, e le pirimidine, che includono citosina, uracile e timina.

Fino a poco tempo fa, individuare l’intero set di queste basi in materiali extraterrestri risultava estremamente complesso a causa del rischio di contaminazioni ambientali sulla Terra. Tuttavia, i campioni raccolti dalla missione spaziale hayabusa2 della JAXA dall’asteroide ryugu hanno fornito un materiale straordinariamente pristino. Analizzando frammenti specifici denominati A0480 e C0370 attraverso tecniche analitiche avanzate, i ricercatori hanno potuto escludere qualsiasi origine terrestre, confermando che queste sostanze organiche sono indigene dell’asteroide.

Variazioni chimiche e storie evolutive dei corpi celesti

Un aspetto particolarmente rilevante emerso dallo studio riguarda il rapporto purine-pirimidine (noto come rapporto Pu/Py), che varia in modo significativo tra i diversi corpi celesti primordiali.

• Nei campioni dell’asteroide ryugu, il rapporto Pu/Py si attesta su valori compresi tra 1,1 e 1,2, evidenziando una distribuzione quasi bilanciata tra i due gruppi molecolari.

• Nel campione dell’asteroide bennu, raccolto dalla missione OSIRIS-REx, si osserva invece una netta predominanza delle pirimidine, con l’uracile come molecola più abbondante.

• Nel meteorite carbonioso murchison, la situazione è opposta, poiché le purine superano nettamente le pirimidine.

• Nel meteorite orgueil, studiato come riferimento comparativo, la concentrazione di uracile e di altre pirimidine domina nettamente il profilo chimico complessivo.

Queste differenze dimostrano che i corpi genitori degli asteroidi e delle meteoriti hanno seguito percorsi evolutivi e condizioni fisico-chimiche molto diversificate nelle prime fasi di formazione del sistema solare.

Il ruolo dell’ammoniaca e le reazioni prebiotiche

La sintesi abiotica di queste molecole complesse in ambienti extraterrestri richiede la presenza di precursori chimici specifici e di fonti energetiche adeguate. Le analisi indicano una forte correlazione tra il rapporto Pu/Py e le concentrazioni di ammoniaca libera all’interno dei corpi celesti.

Quando la disponibilità di ammoniaca è elevata, i processi chimici tendono a favorire la formazione di pirimidine partendo da molecole ricche di carbonio, idrogeno e ossigeno. Al contrario, condizioni con minore ammoniaca e una maggiore presenza di cianuri e composti azotati promuovono vie sintetiche orientate verso le purine. Inoltre, la presenza diffusa di urea e molecole affini suggerisce che le radiazioni ad alta energia, come i raggi gamma generati dal decadimento di isotopi radioattivi di breve durata nel sistema solare primordiale, abbiano agito come catalizzatori energetici per innescare queste trasformazioni chimiche nei piccoli corpi celesti.

Approfondimenti tecnici dallo studio originale

• Protocollo di campionamento e pesatura dei campioni: Le analisi sono state condotte su frammenti aggregati di ryugu, nello specifico il campione A0480 con un peso iniziale di $11.9\text{ mg}$ e il campione C0370 con un peso di $8.3\text{ mg}$, assegnati tramite il terzo bando di opportunità (AO3) della JAXA. Come riferimento comparativo minerale ed elementare è stato utilizzato il meteorite carbonioso CI1 orgueil con un peso di $30.6\text{ mg}$. I controlli procedurali di fondo sono stati eseguiti impiegando sabbia di mare cotta ($14.4\text{ mg}$) e serpentina cotta a $500^{\circ}\text{C}$ per tre ore ($8.8\text{ mg}$) all’interno di un banco pulito ISO Classe 5 inserito in una camera bianca ISO Classe 6 presso l’università di Kyushu.

• Metodologia di estrazione sequenziale in due fasi: Il protocollo analitico ha previsto una prima estrazione con acqua ultrapulita ($550\ \mu\text{l}$) a $25^{\circ}\text{C}$ per $15$ minuti mediante ultrasuoni, seguita da centrifugazione a $10,000\text{ rpm}$ (pari a $14,093\ g$) per $10$ minuti per isolare l’estratto acquoso in modo non distruttivo. Il residuo solido è stato successivamente sottoposto a un’estrazione con acido cloridrico $6\text{ M}$ ($600\ \mu\text{l}$) in ampolle di vetro sigillate a fiamma sotto gas azoto secco e riscaldate a $110^{\circ}\text{C}$ per $12$ ore. Questa fase acida ha permesso la dissoluzione dei minerali secondari, inclusi carbonati e fillosilicati, consentendo il recupero delle componenti legate alla matrice minerale.

• Frazionamento mediante cromatografia a scambio ionico: Gli estratti liofilizzati sono stati risciolti in $0.5\text{ ml}$ di $0.1\text{ M}$ HCl e purificati attraverso colonne di resina a scambio cationico AG 50W-X8 (Bio-Rad, granulometria $200-400\text{ mesh}$, forma idrogeno). Previa precondizionamento con acido cloridrico e idrossido di sodio, l’eluzione con $2.5\text{ ml}$ di acqua ultrapulita ha isolato le frazioni acide e neutre, mentre l’applicazione successiva di $2.5\text{ ml}$ di $10\%$ $NH_{4}OH$ ha eluito selettivamente le molecole basiche, tra cui la totalità delle nucleobasi, generando quattro frazioni distinte per ciascun campione.

• Analisi isotopica ad alta precisione tramite Nano-EA/IRMS: Le misurazioni delle abbondanze elementari di carbonio e azoto e delle relative composizioni isotopiche ($\delta^{13}\text{C}$ e $\delta^{15}\text{N}$) sui residui estratti sono state condotte con un sistema ultrasensibile nano-EA/IRMS accoppiato a uno spettrometro di massa a rapporto isotopico. Le masse analizzate variavano da $0.063\text{ mg}$ a $0.125\text{ mg}$ racchiuse in capsule di stagno. I risultati dei bilanci di massa indicano che circa il $30-40\%$ del carbonio e dell’azoto totali in ryugu sono costituiti da componenti solubili in acqua e acido. Tali componenti mostrano firme isotopiche pesanti, con valori di $\delta^{13}\text{C}$ compresi tra $+25.5\%_{00}$ e $+33.9\%_{00}$ e valori di $\delta^{15}\text{N}$ compresi tra $+45.1\%_{00}$ e $+59.8\%_{00}$, nettamente arricchiti rispetto ai range terrestri standard, mentre la materia organica insolubile presenta valori più leggeri ($\delta^{13}\text{C}$ da $-18.3\%_{00}$ a $-17.0\%_{00}$ e $\delta^{15}\text{N}$ da $+28.2\%_{00}$ a $+29.1\%_{00}$).

• Identificazione cromatografica e spettrometria di massa ad alta risoluzione: Le analisi quantitative e qualitative sono state eseguite mediante cromatografia liquida ad altissima performance accoppiata a spettrometria di massa ibrida a quadrupolo ed anello di Orbitrap (HPLC/ESI-HRMS) operante a una risoluzione di $140,000$ a $m/z = 200$. Per le purine è stata utilizzata una colonna a pentafluorofenile con eluzione isocratica, mentre per le pirimidine è stata impiegata una colonna HyperCarb con gradiente lineare di acetonitrile e acqua contenente $0.1\%$ di acido formico. La conferma strutturale è stata supportata da esperimenti di spettrometria di massa in tandem ($MS/MS$) che hanno permesso di identificare con precisione gli ioni precursori e i frammenti caratteristici, come nel caso della guanina ($m/z = 152.0567$ con frammenti a $135.0301$, $128.0455$ e $110.0349$) e della citosina ($m/z = 112.0505$ con frammenti a $95.0240$ e $69.0447$), oltre all’ausilio di metodi incrociati basati sull’elettroforesi capillare accoppiata a spettrometria di massa (CE-HRMS).

• Concentrazioni quantitative e correlazioni statistiche: La concentrazione totale di nucleobasi misurata nel campione C0370 ha raggiunto un valore di $1,577 \pm 35\text{ pmol g}^{-1}$, risultando circa tre volte superiore rispetto al campione A0480 ($507 \pm 21\text{ pmol g}^{-1}$). Tra le singole molecole, la guanina estratta con acido nel campione C0370 è risultata la più abbondante con $445 \pm 10\text{ pmol g}^{-1}$. L’analisi comparativa ha evidenziato una solida correlazione negativa con un coefficiente di determinazione $R^{2} = 0.89$ tra i rapporti Pu/Py e le concentrazioni di ammoniaca libera nei diversi corpi genitori, confermando che la chimica prebiotica extraterrestre è fortemente governata dalle variazioni dei composti azotati volatili accretiti durante la formazione del sistema solare.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

Le molecole organiche provenienti da materiali extraterrestri potrebbero aver giocato un ruolo chiave nel fornire i mattoni fondamentali per la vita sulla Terra. In questo studio, riportiamo la presenza di tutte e cinque le nucleobasi canoniche – purine (adenina e guanina) e pirimidine (citosina, timina e uracile) – in campioni riportati dall’asteroide di tipo C (162173) Ryugu dalla missione Hayabusa2 della JAXA e confrontiamo i risultati con i dati provenienti da materiale extraterrestre simile. I campioni di Ryugu contengono quantità quasi uguali di purine e pirimidine, mentre Murchison è arricchito in purine e Bennu e Orgueil in pirimidine. I campioni di Ryugu, Bennu e Orgueil, che presentano una mineralogia e una composizione elementare simili, mostrano rapporti purine/pirimidine che correlano negativamente con l’ammoniaca. Queste osservazioni indicano che le nucleobasi in questi campioni potrebbero essersi formate attraverso un percorso comune, a seconda dell’ambiente fisico-chimico dei rispettivi corpi progenitori. Il rilevamento di diverse nucleobasi nei materiali degli asteroidi e delle meteoriti dimostra la loro diffusa presenza in tutto il Sistema Solare e rafforza l’ipotesi che gli asteroidi carbonacei abbiano contribuito al patrimonio chimico prebiotico della Terra primordiale.

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