Le cellule moderne sono sistemi estremamente complessi. Contengono un’impalcatura interna, processi chimici strettamente controllati e istruzioni genetiche che guidano quasi ogni loro azione. Questa complessità permette loro di sopravvivere in ambienti diversi e di competere in base alla propria capacità di sopravvivenza. Al contrario, le prime strutture simili a cellule erano estremamente semplici. Questi compartimenti primitivi erano essenzialmente minuscole bolle, in cui membrane lipidiche racchiudevano molecole organiche di base. Comprendere come queste semplici protocellule abbiano dato origine alle cellule complesse che vediamo oggi rimane una questione centrale nella ricerca sull’origine della vita.
Un recente studio condotto da ricercatori dell’Earth-Life Science Institute (ELSI) dell’Institute of Science di Tokyo esamina più da vicino come queste prime strutture potrebbero essersi comportate sulla Terra primordiale. Invece di proporre un’unica spiegazione sull’origine della vita, i ricercatori si sono concentrati su esperimenti che simulano condizioni ambientali realistiche. In particolare, hanno analizzato come le variazioni nella composizione della membrana influenzino la crescita delle protocellule, la fusione e la capacità di trattenere molecole importanti durante i cicli di congelamento/scongelamento.
Costruzione di protocellule modello con lipidi diversi
Per approfondire questo aspetto, il team ha creato piccoli compartimenti sferici noti come grandi vescicole unilamellari (LUV). Queste sono state costruite utilizzando tre tipi di fosfolipidi: POPC (1-palmitoil-2-oleoil-glicero-3-fosfocolina; 16:0-18:1 PC), PLPC (1-palmitoil-2-linoleoil-sn-glicero-3-fosfocolina; 16:0-18:2 PC) e DOPC (1,2-di-oleoil-sn-glicero-3-fosfocolina; 18:1 (D9-cis) PC).
“Abbiamo utilizzato la fosfatidilcolina (PC) come componente della membrana, grazie alla sua continuità strutturale chimica con le cellule moderne, alla sua potenziale disponibilità in condizioni prebiotiche e alla sua capacità di trattenere i contenuti essenziali”, ha affermato Tatsuya Shinoda, dottorando presso l’ELSI e autore principale dello studio.
Sebbene queste molecole siano simili, le loro strutture differiscono in modi sottili ma importanti. Il POPC contiene una catena acilica insatura con un singolo doppio legame. Anche il PLPC ha una catena acilica insatura, ma con due doppi legami. Il DOPC include due catene aciliche insature, ciascuna con un doppio legame. Queste differenze influenzano la compattezza con cui le molecole si impacchettano. Il POPC tende a formare membrane più rigide, mentre il PLPC e il DOPC producono membrane più fluide.
I cicli di congelamento e scongelamento favoriscono la crescita e la fusione.
I ricercatori hanno quindi sottoposto queste vescicole a ripetuti cicli di congelamento/scongelamento (F/T), simulando le variazioni di temperatura che avrebbero potuto verificarsi sulla Terra primordiale. Dopo tre cicli, sono emerse chiare differenze. Le vescicole ricche di POPC si sono raggruppate senza fondersi completamente. Al contrario, quelle contenenti PLPC o DOPC si sono fuse in compartimenti più grandi. Maggiore era la quantità di PLPC presente, maggiore era la probabilità che le vescicole si fondessero e crescessero.
Questo comportamento evidenzia il ruolo della chimica delle membrane. I lipidi con un maggior numero di legami insaturi rendono le membrane meno compatte, il che sembra favorire la fusione. “Sotto lo stress della formazione dei cristalli di ghiaccio, le membrane possono destabilizzarsi o frammentarsi, richiedendo una riorganizzazione strutturale al momento dello scongelamento. La minore compattezza laterale dovuta al più alto grado di insaturazione può esporre un maggior numero di regioni idrofobiche durante la ricostruzione della membrana, facilitando le interazioni con le vescicole adiacenti e rendendo la fusione energeticamente favorevole”, ha osservato Natsumi Noda, ricercatrice presso l’ELSI.
Mescolare molecole e conservare il DNA
La fusione nucleare è importante perché permette la miscelazione del contenuto di compartimenti separati. Sulla Terra primordiale, dove le molecole organiche erano disperse nell’ambiente, questo tipo di miscelazione potrebbe aver riunito ingredienti chiave. Tale interazione potrebbe aver favorito reazioni chimiche che hanno portato alla formazione di sistemi più complessi, simili alle cellule.
Il team ha anche testato la capacità di queste vescicole di catturare e trattenere il DNA. Hanno confrontato vescicole composte interamente da POPC con quelle composte interamente da PLPC. I risultati hanno mostrato che le vescicole di PLPC erano più efficaci nel catturare il DNA anche prima dei cicli di congelamento/scongelamento. Dopo ripetuti cicli, continuavano a trattenere una quantità di DNA maggiore rispetto alle vescicole di POPC.
Gli ambienti ghiacciati come possibile culla della vita
Tradizionalmente, gli scienziati si sono concentrati su ambienti come pozze in via di prosciugamento sulla terraferma o sorgenti idrotermali nelle profondità oceaniche come luoghi probabili per l’origine della vita. Questo studio aggiunge un’altra possibilità, suggerendo che anche gli ambienti ghiacciati potrebbero aver giocato un ruolo significativo.
Sulla Terra primordiale, i cicli di congelamento e scongelamento potrebbero essersi ripetuti per lunghi periodi. Con il congelamento dell’acqua, i cristalli di ghiaccio in crescita avrebbero spinto le molecole disciolte nel liquido rimanente, concentrandole in piccoli spazi. Questo processo potrebbe aver aumentato la probabilità di interazioni tra molecole e vescicole. Allo stesso tempo, le membrane composte da fosfolipidi più insaturi sarebbero state più inclini alla fusione, favorendo la miscelazione. Tuttavia, esiste un compromesso. Se da un lato le membrane fluide favoriscono la fusione, dall’altro possono anche diventare instabili durante lo stress indotto dai cicli di congelamento e scongelamento, provocando perdite.
Bilanciare stabilità ed evoluzione nelle prime cellule
Per le prime protocellule, mantenere un equilibrio tra stabilità e permeabilità sarebbe stato cruciale. Le membrane devono trattenere il loro contenuto, ma anche consentire le interazioni che guidano i cambiamenti chimici. La composizione delle membrane di maggior successo dipendeva probabilmente dalle condizioni ambientali.
“Una selezione ricorsiva di vescicole cresciute indotte da F/T attraverso generazioni successive può essere realizzata integrando meccanismi di fissione come la pressione osmotica o lo stress meccanico. Con l’aumentare della complessità molecolare, il sistema intravescicolare, ovvero la funzione codificata dai geni, può in definitiva assumere il controllo dell’idoneità protocellulare, portando di conseguenza all’emergere di una cellula primordiale capace di evoluzione darwiniana”, conclude Tomoaki Matsuura, professore all’ELSI e responsabile principale di questo studio.
Nel loro insieme, questi risultati suggeriscono che semplici processi fisici come il congelamento e lo scongelamento potrebbero aver contribuito a guidare la transizione dai compartimenti molecolari di base alle prime cellule in evoluzione.
- Tatsuya Shinoda, Natsumi Noda, Takayoshi Watanabe, Kazumu Kaneko, Yasuhito Sekine, Tomoaki Matsuura. Compositional selection of phospholipid compartments in icy environments drives the enrichment of encapsulated genetic information. Chemical Science, 2025; 16 (48): 23321 DOI: 10.1039/d5sc04710b
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