Vesicle-surface-templated catalytic polymers drive differential growth in synthetic minimal cell variants
Questo studio dimostra che, combinando sistematicamente diversi template vescicolari, polimeri catalitici e anfifili, i ricercatori hanno creato varianti di cellule minime sintetiche che esibiscono risposte di crescita distinte e dipendenti dalla composizione, le quali mappano un paesaggio di fitness multidimensionale, stabilendo così un percorso fisico-chimico verso cellule artificiali evolvibili e autoreproduttive.
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La vita, nella sua sfolgorante complessità, inizia con una domanda semplice: come sono emersi i primi esseri viventi da una zuppa di sostanze chimiche non viventi? Gli scienziati che studiano le origini della vita non cercano solo la prima cellula, ma il primissimo momento in cui un insieme di molecole ha iniziato a comportarsi come un sistema vivente. Cercano di capire come un gruppo di sostanze chimiche possa iniziare a crescere, a replicare se stesso e, infine, a competere tra loro per la sopravvivenza. Per trovare queste risposte, i ricercatori costruiscono "cellule minime sintetiche". Queste non sono organismi viventi, ma semplici compartimenti artificiali fatti di molecole di grasso che formano minuscole bolle. Eliminando la complessa struttura della biologia moderna, gli scienziati possono testare quali regole fisiche di base siano sufficienti per far crescere, dividere e forse persino evolvere una bolla. L'obiettivo è vedere se comportamenti simili a quelli della vita possano emergere dalla sola fisica e chimica semplici, senza la necessità dei complessi geni presenti nei batteri o negli esseri umani.
In uno studio recente, ricercatori in Giappone e Svizzera hanno compiuto un passo significativo in questa ricerca, creando un sistema in cui queste bolle sintetiche potevano non solo crescere, ma anche sviluppare "personalità" distinte che determinavano la loro capacità di sopravvivere. Il team è partito da minuscole bolle composte da due diversi tipi di molecole di grasso. Hanno poi rivestito la superficie di queste bolle con un tipo speciale di polimero, una lunga catena di molecole che agisce come un catalizzatore, o un aiutante, per accelerare le reazioni chimiche. I ricercatori hanno utilizzato due diversi tipi di polimeri: uno fatto di anilina e un altro di pirrolo. Hanno creato otto diverse versioni di queste cellule sintetiche mescolando i due tipi di bolle con i due tipi di polimeri.
L'esperimento consisteva nel nutrire queste cellule sintetiche con più molecole di grasso, che fungevano da cibo. I ricercatori hanno osservato attentamente come ciascuna delle otto varianti rispondeva. I risultati sono stati sorprendenti. Le bolle non crescevano tutte alla stessa velocità o nello stesso modo. Alcune varianti crescevano rapidamente e costantemente quando alimentate con un tipo specifico di molecola di grasso. Altre crescevano lentamente. Alcune non crescevano affatto e alcune, addirittura, si rimpicciolivano, perdendo dimensioni come se venissero dissolte. Fondamentalmente, l'esito dipendeva interamente dalla specifica combinazione della composizione originale della bolla e del polimero sulla sua superficie. Una bolla che diventava enorme quando nutrita con un tipo di cibo poteva rimpicciolirsi quando nutrita con un altro, a seconda di quale polimero fosse attaccato ad essa.
Questo comportamento non era casuale. I ricercatori hanno scoperto che la crescita seguiva un modello prevedibile, simile al modo in cui operano gli enzimi nei nostri corpi. Quando il cibo giusto era disponibile, il polimero sulla superficie della bolla agiva come una chiave, sbloccando la capacità della bolla di assorbire le nuove molecole ed espandersi. Tuttavia, questa chiave funzionava solo per tipi specifici di cibo. Lo studio ha dimostato che il polimero non attirava semplicemente qualsiasi molecola di grasso; esso riconosceva quelle specifiche. Per provarlo, il team ha provato a utilizzare altri comuni polimeri carichi positivamente che non erano fatti di anilina o pirrolo. Questi altri polimeri non riuscivano a far crescere le bolle, nonostante fossero anch'essi carichi positivamente. Ciò ha confermato che la crescita non era solo il risultato di una semplice attrazione elettrica, ma richiedeva una stretta stretta di mano chimica molto specifica tra il polimero e le molecole di cibo.
I ricercatori hanno anche osservato che il modo in cui le bolle crescevano dipendeva dal tipo di polimero utilizzato. Quando le bolle erano rivestite dal polimero fatto di anilina, crescevano in modo uniforme, mantenendo la forma e le dimensioni costanti in tutto il gruppo. Al contrario, le bolle rivestite dal polimero di pirrolo crescevano in modo più caotico, con alcune che diventavano molto più grandi di altre, portando a un miscuglio disordinato di dimensioni. Ciò suggerisce che la specifica natura chimica del polimero determina non solo quanto velocemente la cella cresce, ma anche quanto ordinata sia la sua crescita.
Forse cosa più importante, lo studio ha rivelato che non esiste una versione "migliore" in assoluto di queste cellule sintetiche. Il successo di una variante dipendeva interamente dall'ambiente. Una variante che cresceva più velocemente in una ricca fornitura di un certo tipo di cibo poteva essere la peggiore in termini di prestazioni se quel cibo fosse stato scarso o se fosse stato fornito un tipo di cibo diverso. I ricercatori hanno descritto questo come un "paesaggio di fitness", dove il vantaggio di una variante rispetto a un'altra cambia in base a ciò che è disponibile per mangiare. Questo è un requisito fondamentale per l'evoluzione: affinché la selezione naturale funzioni, diverse versioni di un organismo devono avere diverse possibilità di sopravvivenza a seconda del loro ambiente.
Creando un sistema in cui l'identità della cella (la combinazione di bolla e polimero) è legata alla sua capacità di crescere, i ricercatori hanno costruito una piattaforma che imita i primi passi dell'evoluzione. Hanno dimostrato che questi sistemi semplici e non viventi possono ereditare le proprie proprietà dai genitori, competere per le risorse e rispondere diversamente all'ambiente. Sebbene non siano cellule viventi, essi dimostrano un percorso chiaro dalla semplice chimica al tipo di crescita differenziale che porta infine alla diversità della vita. Lo studio suggerisce che se si possiede un sistema in cui la struttura di un compartimento determina come raccoglie l'energia, e se tale struttura può essere copiata, allora si prepara il palcoscenico per un processo in cui le versioni più di successo sopravvivono e si moltiplicano, guidate puramente dalle leggi della fisica e della chimica.
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