Fisici dell’Istituto per i processi chimico-fisici del Cnr di Messina e della Sorbona di Parigi hanno riprodotto, mediante avanzate tecniche di simulazione numerica, i risultati del famoso esperimento di Miller, cioè la formazione di aminoacidi dalle semplici molecole inorganiche contenute nel ‘brodo primordiale’ e sottoposte a intensi campi elettrici. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica dell’Accademia delle scienze americane Pnas.
Come è avvenuto il passaggio dall’inorganico all’organico? Come, in sostanza, ha avuto origine la vita? Un importante passo in avanti nelle nostre conoscenze è stato compiuto grazie a due fisici di Messina – Franz Saija, ricercatore dell’Istituto per i processi chimico-fisici del Consiglio nazionale delle ricerche di Messina (Ipcf-Cnr) e Antonino Marco Saitta, professore di Fisica all’Università Pierre e Marie Curie – – che per la prima volta hanno riprodotto al computer il celebre esperimento di Stanley Miller, con il quale nel 1953 si dimostrò in laboratorio la possibilità di formare spontaneamente gli aminoacidi, le molecole base della vita, sottoponendo a intense scariche elettriche le semplici molecole inorganiche presenti nel brodo primordiale così come ipotizzato già nel 1871 da Charles Darwin.
Trattando le interazioni dei singoli atomi a livello quantistico, i due ricercatori sono riusciti ad individuare i meccanismi coinvolti in queste reazioni chimiche su scala atomica e a determinare le condizioni necessarie per la sintesi degli aminoacidi. “Abbiamo simulato al computer il comportamento di una miscela di molecole semplici (acqua, ammoniaca, metano, monossido di carbonio, azoto), sottoponendola a intensi campi elettrici”, spiega Saija. “L’effetto di tali scariche elettriche, dell’ordine dei 50 MV/cm, ha determinato la trasformazione delle molecole del sistema iniziale in altre via via più complesse fino alla comparsa della glicina, l’aminoacido più semplice in natura, considerato il ‘mattone fondamentale’ per costruire peptidi e proteine”. Tali intense scariche elettriche simulano l’azione dei fulmini presenti nell’ambiente terrestre primordiale.
Gli autori di questo lavoro, pubblicato questa settimana sulla rivista dell’Accademia delle scienze americana ‘Pnas’, hanno dimostrato mediante tecniche avanzate di simulazione numerica che queste reazioni avvengono attraverso stadi di reazione più complessi di quanto supposto in precedenza, individuando il campo elettrico come sorgente di energia fondamentale nell’innescare la formazione degli amminoacidi e identificando gli acidi formico e cianidrico e la formammide come prodotti intermedi ‘chiave’ per la sintesi degli aminoacidi e, quindi, dei precursori del dna e degli acidi metabolici.
“La portata di questo studio si spinge al di là degli esperimenti di Miller”, prosegue il ricercatore dell’Ipcf-Cnr, “poiché campi elettrici estremamente intensi, anche se molto localizzati, sono presenti in natura sulla superficie dei minerali che si trovano nelle profondità della Terra. Questo risultato pionieristico suggerisce dunque la necessità di esplorare a fondo il ruolo di tali campi: sia per comprendere i meccanismi chimici che hanno portato allo sviluppo di molecole biologiche sempre più complesse, sia per sfruttare le enormi opportunità che questo tipo di simulazioni numeriche quantistiche possono aprire in molti ambiti scientifici che vanno dall’elettrochimica alla neurobiochimica”.
“L’attività da cui nasce questo articolo si inquadra nello studio dei sistemi macromolecolari, polimeri e fluidi complessi condotto tramite metodi di simulazione numerica all’Istituto per i processi chimico-fisici afferente al Dipartimento Scienze chimiche e tecnologie della materia del Cnr”, sottolinea il direttore Cirino Salvatore Vasi. “Da questa ricerca è stato possibile chiarire alcuni meccanismi fondamentali alla base delle reazioni chimiche prebiotiche, che aprono nuove frontiere per lo studio dell’origine della vita e per applicazioni nell’ambito delle biotecnologie”.
