Precursori dell’Adenina nella sintesi abiotica nello spazio

Diego Tesauro

Tra le ipotesi sull’origine della vita terrestre nelle ultime decadi, ha avuto maggiori fautori l’ipotesi che i primi organismi viventi avessero alla base la molecola dell’RNA. L’RNA quindi avrebbe svolto il ruolo sia di catalizzatore delle reazioni nelle cellule che di trasmettitore dell’informazione. Solo successivamente la maggiore stabilità del DNA e delle proteine avrebbero portato alla sostituzione dell’RNA. Il mondo basato sull’RNA richiede la sintesi abiotica dei nucleotidi e la loro partecipazione nelle reazioni di replicazione dell’RNA non enzimatica. Entrambe le due funzioni mostrano delle criticità non risolte. In questo intervento mi vorrei focalizzare sulla sintesi dei nucleotidi in particolare di una delle basi, l’adenina, per cui di recente sono stati osservati alcuni precursori chiave nella sintesi.

Storicamente la presenza dell’adenina di origine extraterrestre, e quindi di sintesi abiotica, è stata rilavata alla fine degli anni sessanta nella famosa meteorite carbonacea di Murchison (https://it.wikipedia.org/wiki/Murchison_(meteorite)), fonte di innumerevoli molecole organiche di origine prebiotica. Una possibile via sintetica abiotica era già stata proposta da Oro et al. all’inizio degli anni sessanta in una pubblicazione sulla rivista Nature [1]. In questo schema la sintesi prevede la presenza del cianuro di idrogeno e l’ammoniaca come reagenti, verosimilmente presenti nell’atmosfera primordiale terrestre. Per poter spiegare la sintesi dell’adenina nelle nubi idi gas molecolare, da cui hanno origine per contrattazione gravitazionale i sistemi planetari, Chakrabarti ha proposto successivamente che l’adenina si possa formare attraverso l’oligomerizzazione di HCN nella fase gassosa in quattro fasi: HCN → H2C2N2 → NH2CH(CN)2 → NH2(CN)C = C(CN)NH2 → H5C5N5 in cui il primo step è una dimerizzazione del cianuro di idrogeno per dare la cianometanimmina [2] .

Figura 1 I due isomeri geometrici della cianometimmina

Figura 2 Sintesi attraverso due vie dei due isomeri geometrici della cianometimmina

Tuttavia, eseguendo calcoli teorici, negli ultimi decenni, la formazione del dimero di HCN, non sembra verificarsi in maniera efficiente nelle condizioni del mezzo interstellare (ISM). Pertanto il meccanismo di formazione e la possibilità di rilevare la molecola nelle nubi interstellari è di cruciale importanza per spiegare la formazione dell’adenina. La cianometanimmina presenta due diversi isomeri geometrici: l’isomero Z e l’isomero E (Figura 1). Pur essendo l’isomero Z più stabile dal punto di vista energetico fino ad oggi nell’ISM era stato rilevato solo l’isomero E. Solo recentemente è stata osservata la presenza di entrambi gli isomeri geometrici nella nube molecolare quiescente G + 0.693 del Centro Galattico mediante le osservazioni del radiotelescopio 30 m dell’IRAM sul Pico Veleta della Sierra Nevada in Spagna, nel dominio delle onde millimetriche [3]. Il rapporto osservato di abbondanza relativa tra i due isomeri [Z/E] è circa 6. Questo valore è estremamente maggiore rispetto a quanto previsto teoricamente dalle due vie di formazione chimica precedentemente proposte (in fase gassosa o sulla superficie dei grani di polvere della nube). Infatti la prima via prevede la reazione del radicale ciano con la metanimmina con formazione dei due isomeri nel rapporto 1.5 mentre l’alternativa, avente come reagenti il cianogeno e due atomi di idrogeno, mostra un rapporto nel prodotto tra gli isomeri intorno a 0,9 (Figura 2). Invece il rapporto [Z/E] osservato è in buon accordo con l’equilibrio termodinamico alla temperatura cinetica del gas (130-210 K). Poiché l’isomerizzazione non è possibile nell’ISM, le due specie potrebbero essersi formate ad alta temperatura. Nuovi modelli chimici, inclusa la chimica delle superfici su grani di polvere e reazioni in fase gassosa, dovrebbero essere esplorati per poter spiegare questi risultati. Qualunque sia il meccanismo di formazione, l’elevata abbondanza di Z-HNCHCN mostra che i precursori dell’adenina si sono formati nell’ISM. Ancora più recentemente è stata osservata per la prima volta anche la presenza di idrossiacetonitrile o glicolnitrile (Figura 3) in una protostella di tipo solare in formazione in IRAS 16293-2422 B, una zona della nebulosa oscura r Ophiuchi (Foto 1) [4]. La rilevazione è stata ottenuta mediante il radiotelescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) in Cile (Foto 2), osservando a frequenze comprese tra 86,5 GHz e 266,5 GHz Sono state identificate in totale 15 transizioni di glicolnitrile.

Figura 3 Sintesi del Glicolnitrile e sue reazioni per produrre Adenina e Glicina

 

Foto 1 Il complesso Rho Ophiuchi cloud, una nebulosa oscura di gas e polveri localizzata ad 1° a sud dalla stella ρ Ophiuchi della costellazione dell’Ofiuco. Trovandosi a circa 131 ± 3 parsecs, (430 anni luce) è una delle zone di formazione di sistemi planetari più vicine al sistema solare.

Foto 2 Alcune delle antenne del Radiotelescopio interferometrico ALMA sull’altopiano di Chajnantor delle Ande cilene (https://www.eso.org/public/italy/teles-instr/alma/)

Anche questa molecola è coinvolta nella sintesi dell’adenina. Nel mezzo interstellare (ISM), il glicolnitrile potrebbe formarsi su superfici di grani ghiacciate attraverso la reazione tra formaldeide e cianuro di idrogeno. Questo composto, in presenza di ammoniaca e cianuro di idrogeno a pH basico, è in grado di accelerare il processo di sintesi dell’adenina. Inoltre in una miscela eutettica ghiaccio-acqua in presenza di ammoniaca, si può ottenere dal glicolnitrile la glicina. Quindi questa molecola gioca un ruolo chiave nella sintesi abiotica e nella chimica dei nitrili nell’ISM. Inoltre i dati mostrano la presenza della molecola sia nel core caldo interno che nell’involucro esterno freddo di IRAS16293 B, pertanto ci si può spiegare la sua presenza (e di composti organici quali la glicina) in oggetti appartenenti alle zone remote dei sistemi planetari come le comete e gli asteroidi. Molti punti restano però oscuri per cui è necessario condurre ulteriori esperimenti nonché elaborare dei modelling per avere una visione completa della chimica in fase gassosa a bassa densità e nelle interfaccia dei sistemi eutettici a bassa temperatura.

[1] J. Oro Mechanism of Synthesis of Adenine from Hydrogen Cyanide under Possible Primitive Earth Conditions Nature 1961, 1193-1194)

[2] S. Chakrabarti, S.K. Chakrabarti Astronomy and Astrophysics, 2000, 354, L6-L8 doi astroph/0001079

[3] V. M. Rivilla, J. Martín-Pintado, I. Jiménez-Serra, S. Zeng, S. Martín, J. Armijos-Abendaño, M. A. Requena-Torres, R. Aladro, D. Riquelme Abundant Z-cyanomethanimine in the interstellar medium: paving the way to the synthesis of adenine Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 2019, 483(1), L114–L119. doi 10.1093/mnrasl/sly228

[4] S. Zeng, D. Quénard, I. Jiménez-Serra, J. Martín-Pintado, V M. Rivilla, L. Testi, R. Martín-Doménech First detection of the pre-biotic molecule glycolonitrile (HOCH2CN) in the interstellar medium Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 2019, 484(1), L43–L48. doi:10.1093/mnrasl/slz002

 

 

Un pensiero su “Precursori dell’Adenina nella sintesi abiotica nello spazio

  1. Victor, l’astronomo che studia queste molecole, è un mio collega, vicino di ufficio. Tipo simpatico, che tiene sul tavolo i modellini delle molecole che via via cerca di individuare, quelli con gli atomi a palline colorate. E’ uno dei precari INAF, lavora con un assegno di ricerca rinnovato anno per anno (se ci sono i soldi) senza grosse speranze di un posto decente.

    Hoyle è stato un sostenitore della teoria della panspermia, arrivando a sostenere che i grani di polvere interstellare in realtà sono veri e propri batteri. In un romanzo di fantascienza ci stava benissimo (e “La nuvola nera” è un bel romanzo, intrigante, che affronta temi come il rapporto con una intelligenza completamente “altra”). Sulla panspermia sono sempre stato, diciamo, un po’ scettico.

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