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Nel 1953 Stanley Miller pubblicò un articolo sulla formazione spontanea di glicina e altri aminoacidi applicando scariche elettriche ad una miscela di molecole semplici (acqua, ammoniaca, metano, idrogeno), simulando così l'effetto dei fulmini nell’atmosfera della Terra primordiale.

Questo articolo, ispirato dall’ipotesi del brodo primordiale di Charles Darwin, è unanimemente riconosciuto come lo studio che ha dato inizio a quella tematica di ricerca che oggi prende il nome di chimica prebiotica e che si interessa alla comprensione dell’origine della vita. Da allora, un enorme mole di ricerca sia teorica che sperimentale è stata condotta per chiarire le condizioni più probabili per la sintesi di molecole biologicamente rilevanti, o almeno di quegli elementi base che costituiscono i sistemi viventi (aminoacidi e basi azotate). L'esperimento è stato ripetuto da Miller stesso e da diversi altri gruppi di ricerca in più varianti, partendo da diverse miscele molecolari e prendendo in considerazioni diverse ipotesi sulla costituzione dell’atmosfera primordiale. Un aspetto fondamentale e comune di questi esperimenti è la formazione di acido cianidrico, aldeidi e chetoni, e aminoacidi, suggerendo che i composti sono stati prodotti seguendo la nota reazione di Strecker, scoperta nel 1850 dal chimico tedesco Adolph Strecker. Tuttavia, la descrizione a livello atomico delle reazioni chimiche che si verificano in tali esperimenti, nonché il ruolo giocato dalla scarica elettrica come innesco della reazione, non sono mai stati del tutto chiariti, anche se la loro conoscenza è di importanza cruciale nella comprensione dell'origine chimica della vita. Approcci di tipo teorico-computazionale per lo studio delle reazioni indotte dal campo elettrico sono completamente carenti in letteratura e, di conseguenza, i meccanismi chimici che regolano la reattività delle molecole composte da carbonio, ossigeno, azoto ed idrogeno sono al momento sconosciute. In un recente studio, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista PNAS1, Franz Saija (IPCF-CNR) e A. Marco Saitta (Università Pierre et Marie Curie - Parigi), hanno eseguito il primo studio di simulazione numerica al computer degli esperimenti di Miller a livello quantistico. Lo studio è stato effettuato con metodi ab-initio basati sulla teoria del funzionale densità e sfrutta un nuovo metodo di applicazione del campo elettrico in calcoli atomistici da principi primi. Gli autori hanno potuto seguire le diverse fasi che portano alla formazione spontanea di glicina a partire da una miscela di molecole semplici sotto campo elettrico, ed eseguendo, quindi, con successo il primo in silico esperimento di Miller. Ancora più rilevante è il fatto di aver mostrato che le reazioni indotte dal campo non seguono un meccanismo tipo Strecker, come finora creduto, bensì passano attraverso la formazione di acido formico e, soprattutto, di formammide. Questo risultato è di notevole importanza, poiché la formammide potrebbe rappresentare la molecola chiave nella sintesi degli aminoacidi che formano le proteine. Infatti, le simulazioni da principi primi mostrano che la formammide è costantemente formata da molecole più semplici sotto l’azione del campo elettrico nell’intervallo di pochi picosecondi, alimentando l'intero processo di formazione della glicina. Tale sorprendente risultato è in eccellente accordo con altri studi nei quali la formammide è considerata come la molecola centrale della chimica prebiotica, precursore della glicina e altri composti biologicamente rilevanti. Questa ricerca apre nuove prospettive di studio nell’ambito di ricerca sull’origine della vita, utilizzando tecniche di modeling da principi primi.

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FIG. Sequenza di fotogrammi di dinamica molecolare Car-Parrinello. Nella sequenza si nota il meccanismo di reazione fra una molecola di formammide con un monossido di carbonio (a, b) seguito dalla dissociazione dell’acido cianidrico (c) in un anione dell’acido formico (d) e per finire alla formazione dell’idroxi-glicina (e). Il codice colori è quello standard: atomi di carbonio in grigio, azoto in blu, ossigeno in rosso e idrogeno in bianco. Le rotture/formazioni dei legami fondamentali sono indicate con le frecce.

 

1. A. Marco Saitta and Franz Saija, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111, 13768 (2014) - DOI: 10.1073/pnas.1402894111

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