I chimici utilizzano la blockchain per simulare oltre 4 miliardi di reazioni chimiche essenziali per le origini della vita.
In una ricerca apparsa sulla rivista Chem il 24 gennaio, un team di chimici ha riproposto questo processo, chiedendo ai computer di generare la più grande rete mai creata di reazioni chimiche che potrebbero aver dato origine a molecole prebiotiche sulla Terra primordiale. Per generare questa rete, i ricercatori hanno scelto una serie di molecole iniziali probabilmente presenti sulla Terra primordiale, tra cui acqua, metano e ammoniaca, e hanno stabilito regole su quali reazioni potrebbero verificarsi tra i diversi tipi di molecole. Hanno poi tradotto queste informazioni in un linguaggio comprensibile ai computer e hanno utilizzato la blockchain per calcolare quali reazioni si sarebbero verificate su più espansioni di una gigantesca rete di reazione.
Questo lavoro indica che almeno alcune forme primitive di metabolismo potrebbero essere emerse senza il coinvolgimento di enzimi e mostra il potenziale dell’uso della blockchain per risolvere problemi al di fuori del settore finanziario che altrimenti richiederebbero l’uso di supercomputer costosi e di difficile accesso.
“A questo punto possiamo dire di aver cercato in modo esauriente ogni possibile combinazione di reattività chimica che gli scienziati ritengono fosse operativa sulla Terra primitiva”, afferma l’autore senior Bartosz A. Grzybowski del Korea Institute for Basic Science e dell’Accademia polacca delle scienze.
“La ricerca sulle origini della vita e il blockchain computing possono sembrare molto disparate, ma possono anche essere altamente sinergiche. In questo caso, questa sinergia si manifesta nell’uso del blockchain computing distribuito per propagare la più grande rete conosciuta di miliardi di reazioni prebiotiche che potrebbero essere state coinvolte nell’emergere chimico dei primi anni di vita.
I risultati di questo studio stimolano due linee di pensiero.
Da un lato, il repertorio attualmente noto di reazioni prebiotiche sembra sufficiente per far evolvere le materie prime prebiotiche di base in percorsi e cicli di reazione che ricordano il metabolismo attuale.
D’altra parte, solo una piccola frazione dei cicli contenuti nella rete sembra adatta all’autoreplicazione di un ristretto repertorio di molecole biotiche: ciò rafforza una domanda vecchia di decenni se l’autoreplicazione fosse veramente operativa e importante a livello di piccole molecole o se sia diventato essenziale per l’emergere della vita solo a livello delle macromolecole.
Il calcolo di questa rete, che copre più di 4,9 miliardi di reazioni prebiotiche plausibili e più di 3,7 miliardi di molecole, è stato orchestrato automaticamente su centinaia di macchine in tutto il mondo, ciascuna macchina offrendo la sua potenza di calcolo regolabile dinamicamente in cambio dei token di criptovaluta Golem, che sono alla base di questa piattaforma e vengono scambiati nei principali scambi di criptovaluta. In un contesto più ampio, questo lavoro illustra come (1) la tecnologia basata su blockchain può trovare nuovi usi produttivi al di fuori del settore finanziario/della sicurezza, mentre (2) gli scienziati possono trarre vantaggio da questa tecnologia ottenendo l’accesso a risorse informatiche che normalmente non avrebbero a loro disposizione.
“Il computer prende le molecole primordiali e le sostanze chimiche prebiotiche accettate. L’abbiamo codificato nella macchina e poi l’abbiamo rilasciato al mondo”, afferma Grzybowski.
Il team di Grzybowski ha lavorato con chimici e specialisti informatici di Allchemy, un’azienda che utilizza l’intelligenza artificiale per la pianificazione della sintesi chimica, per generare la rete utilizzando Golem, una piattaforma che orchestra parti dei calcoli su centinaia di computer in tutto il mondo, che ricevono criptovaluta in cambio per il tempo di calcolo.
La rete risultante, denominata NOEL per Network of Early Life, è iniziata con oltre 11 miliardi di reazioni, che il team ha ristretto a 4,9 miliardi di reazioni plausibili. NOEL contiene parti di percorsi metabolici ben noti come la glicolisi, imitazioni del ciclo di Krebs, che gli organismi utilizzano per generare energia, e sintesi di 128 molecole biotiche semplici come zuccheri e amminoacidi.
Curiosamente, dei 4,9 miliardi di reazioni generate, solo centinaia di cicli di reazione potrebbero essere definiti “autoreplicanti”, il che significa che le molecole producono ulteriori copie di se stesse. È stato ipotizzato che l’autoreplicazione sia centrale per l’emergere della vita, ma la stragrande maggioranza delle sue manifestazioni conosciute richiedono macromolecole complesse come gli enzimi.
“I nostri risultati significano che con la presenza solo di piccole molecole, l’autoamplificazione è un evento raro. Non penso che questo tipo di autoreplicazione fosse operativo sulla terra primitiva, prima che si formassero in qualche modo strutture molecolari più grandi”, afferma Grzybowski. “Vediamo l’emergere del metabolismo primitivo, ma non vediamo l’autoreplicazione, quindi forse l’autoreplicazione è apparsa più tardi nell’evoluzione”.
“Se me lo chiedeste due anni fa, penserei che avremmo bisogno di anni per questo tipo di lavoro”, dice Grzybowski. “Ma per una frazione del costo, in due o tre mesi, abbiamo portato a termine un compito di 10 miliardi di reazioni, 100.000 volte più grande di quanto fatto in precedenza”.
Questo lavoro non solo fa avanzare ciò che sappiamo sulla chimica prebiotica iniziale, ma dimostra anche come la scienza può essere resa più accessibile ai ricercatori delle università e delle istituzioni più piccole.
“Il nostro sistema educativo si basa su università d’élite, soprattutto nel mondo occidentale. È molto difficile per i paesi in via di sviluppo persino competere con queste università perché non hanno accesso ai supercomputer”, afferma Grzybowski. “Ma se riesci a distribuire l’informatica in questo modo a una frazione del costo, puoi dare ad altre persone l’opportunità di giocare”.
Sebbene la rete generata in questo lavoro sia stata eseguita su centinaia di computer in tutto il mondo, Grzybowski suggerisce che questo metodo può essere utilizzato nelle istituzioni senza dover pagare gettoni di criptovaluta ai computer che eseguono i calcoli.
“Con una piattaforma come Golem puoi connettere la rete del tuo istituto e sfruttare tutta la potenza inattiva dei suoi computer per eseguire calcoli”, afferma Grzybowski. “Potresti creare questa infrastruttura informatica senza alcuna spesa in conto capitale.”
Grzybowski spera che il riutilizzo della blockchain in questo modo possa rivoluzionare il modo in cui eseguiamo calcoli su larga scala in tutto il mondo e cambiare il modo in cui vediamo il valore della criptovaluta.
“Spero che gli esperti di informatica riescano a capire come tokenizzare le criptovalute in un modo che possa avvantaggiare la scienza globale”, afferma Grzybowski. “Forse la società potrebbe essere più felice di usare le criptovalute, se si potesse dire alla gente che nel processo potremmo scoprire nuove leggi della biologia o qualche nuovo farmaco contro il cancro”, dice Grzybowski.
Qui lo studio: https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(23)00611-3
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