Fosfita și paladiul din izvoarele hidrotermale, posibili precursori ai ATP-ului primordial
Cercetătorii de la Institutul de Evoluție Moleculară al Universității Heinrich Heine din Düsseldorf au identificat o nouă sursă de energie care ar fi putut alimenta reacțiile chimice primordiale pe Pământul timpuriu. Studiul, publicat în The FEBS Journal, arată că fosfita și paladiul — substanțe care apar în mod natural în izvoarele hidrotermale producătoare de hidrogen — pot acționa ca precursori anorganici ai adenozin-trifosfatului (ATP), moneda energetică universală a celulelor.
Toate formele de viață convertesc sursele de energie în ATP, moleculă esențială pentru metabolism. Un om bine hrănit produce și consumă zilnic o cantitate de ATP egală cu greutatea corpului, iar bacteria Escherichia coli produce de zece ori greutatea sa în ATP la fiecare diviziune.
În prezent, ATP-ul provine din ATP-sintaze, mașinării proteice care convertesc gradienții de ioni în mișcare de rotație pentru a forma ATP din adenozin-difosfat (ADP) și fosfat. Aceste enzime sunt complexe și nu pot fi punctul de plecare al conservării energiei la originea vieții. În plus, fosfatul este puțin solubil și inert, neracționând ușor.
Manon Schlikker, autoarea principală, explică: „Chiar și cele mai simple forme de metabolism necesită fosfat ca monedă energetică. Am apelat la mediu și la microbi pentru indicii. Multe reacții metabolice funcționează fără enzime, folosind catalizatori metalici din izvoarele hidrotermale. Bacteriile din aceste medii rezolvă problema fosfatului cu fosfit, care apare și el în mod natural. Am testat combinația în laborator și am descoperit că unele metale activează fosfitul la fosfat și pot fosforila molecule, la fel ca ATP-ul.”
Microbii care folosesc fosfitul environmental îl convertesc la fosfat cu enzima AdpA. În această reacție, AdpA fosforilează adenozin-monofosfatul (AMP) la ADP, conservând energia fosfitului într-o legătură fosfat de înaltă energie. Schlikker a încercat să înlocuiască enzima AdpA cu metale din izvoarele hidrotermale: „Nichelul metalic a funcționat, dar paladiul, care apare și el în izvoare, a funcționat mult mai bine.”
Profesorul William Martin, autorul senior, adaugă: „De 10 ani investigăm capacitatea metalelor din izvoarele hidrotermale — nichel, fier, cobalt — de a înlocui funcții enzimatice. Pentru aceasta, metalele trebuie să fie în stare nativă, strălucitoare, nu doar roci. Izvoarele producătoare de H2 conțin fosfit și depun metalele exact în această stare.”
Rezultatul că paladiul catalizează fosforilarea AMP la ADP cu fosfit „a fost foarte emoționant”, spune Schlikker. „Nu exista literatură despre oxidarea anaerobă a fosfitului cu paladiu.” Cea mai comună formă naturală a paladiului în aceste izvoare este un aliaj cu nichel și fier. Echipa dr. Harun Tüysüz de la Max-Planck-Institut für Kohlenforschung și Fundația IMDEA din Madrid a sintetizat aliajul paladiu-fier-nichel în laborator și a confirmat că și acesta catalizează reacția de fosforilare.
Cercetătorii au extins testele pentru a vedea ce alte molecule pot fi fosforilate. Au descoperit că numeroase substrate biologic relevante — riboza, glucoza, glicerolul și acetatul — sunt fosforilate ușor. Acetatul a fost deosebit de interesant, deoarece acetil-fosfatul este considerat de mult o monedă primordială a energiei biochimice.
„Ceea ce vedem aici”, spune Martin, „este o rută nouă și geochimic continuă de fosforilare prebiotică în apă, folosind un substrat și un catalizator — fosfit și paladiu — care apar natural în izvoarele hidrotermale producătoare de H2.” Tüysüz adaugă: „Această chimie geochimică de fosforilare este mult mai simplă decât ruta enzimatică. Operează în apă, iar catalizatorul are o specificitate largă de substrat. Are toate proprietățile unui proces cu adevărat primordial.”
Energia care alimentează reacția provine din fosfit. „Fosfitul este o substanță foarte bogată în energie, dar stabilă”, explică Martin. „Când reacționează formând fosfat, eliberează mai multă energie decât ATP-ul, dar necesită un catalizator bun. Paladiul este cel mai eficient catalizator anorganic pentru activarea fosfitului descoperit până acum.”
Martin concluzionează: „Privind deschis, fosfitul plus cantități mici catalitice de paladiu reprezintă un precursor geochimic format natural al ATP-ului. La originea vieții, această sursă de energie environmental recent recunoscută ar fi putut furniza impulsul necesar pentru a pune în mișcare reacțiile chimice ale vieții.”
