Esternalizzazione degli amminoacidi ad alto costo energetico all’origine degli animali

Perché questo conta nella vita di tutti i giorni

Ogni boccone che mangi contiene amminoacidi, i mattoni delle proteine. Alcuni di questi il corpo li produce da sé, mentre altri devono provenire dalla dieta e sono chiamati amminoacidi “essenziali”. Questo articolo pone una domanda apparentemente semplice ma dalle grandi implicazioni: perché i nostri antenati animali hanno smesso di sintetizzare molti di questi ingredienti energeticamente costosi e hanno invece cominciato a dipendere dall’ambiente esterno per ottenerli? La risposta, sostengono gli autori, risiede in una profonda ristrutturazione evolutiva del bilancio energetico della vita.

Il prezzo energetico nascosto dei mattoni delle proteine

Le cellule pagano un conto energetico ogni volta che costruiscono un amminoacido. Utilizzando dati biochimici dettagliati, gli autori hanno calcolato quanta energia serve per sintetizzare ciascuno dei 20 amminoacidi standard in diversi regimi metabolici, dalla fermentazione a basso ossigeno alla respirazione alimentata dall’ossigeno. Hanno distinto i costi “diretti” (il combustibile consumato per costruire un amminoacido) dai costi di “opportunità” (l’energia extra che si sarebbe potuta ottenere bruciando gli stessi precursori anziché trasformarli in amminoacidi). In condizioni che somigliano allo stile di vita ad alta respirazione degli animali, gli amminoacidi che definiamo essenziali risultano, nel loro insieme, molto più costosi da produrre rispetto a quelli non essenziali.

Respirare più ossigeno rende alcuni amminoacidi particolarmente costosi

Quando gli autori hanno confrontato tutti i 20 amminoacidi ordinandoli per costo energetico, hanno trovato un andamento netto: quasi tutti gli amminoacidi più economici sono quelli che gli animali continuano a sintetizzare, mentre quasi tutti quelli più costosi sono gli amminoacidi essenziali che otteniamo dal cibo. Questa separazione si è accentuata nel modellare una respirazione più efficiente basata sull’ossigeno, caratteristica delle cellule animali. In condizioni di alta respirazione, il divario nel costo energetico totale tra amminoacidi economici e costosi si è ampliato notevolmente. In altre parole, quando gli ambienti ricchi di ossigeno divennero comuni e le cellule poterono ricavare più energia dal cibo, il costo relativo di produrre gli amminoacidi più dispendiosi è schizzato in alto, rendendoli candidati ideali per l’“esternalizzazione”.

L’evoluzione ha scelto l’esternalizzazione o è stato il caso?

Per verificare se questo schema potesse essere dovuto al caso, il team ha sviluppato un metodo probabilistico che chiamano test di selezione del fenotipo combinatorio. Si sono chiesti: se si selezionassero a caso nove o undici amminoacidi da considerare “essenziali”, quanto spesso si otterrebbe un insieme il cui costo energetico medio sia alto quanto quello reale osservato negli animali? Simulando tutte le combinazioni possibili, hanno mostrato che il set effettivo degli animali si trova nella coda più costosa della distribuzione ed è estremamente improbabile che sia sorto per caso. Questo sostiene l’idea che la selezione naturale, agendo per risparmiare energia, abbia influenzato quali amminoacidi gli animali hanno smesso di sintetizzare. Hanno anche esaminato quante reazioni e vie metaboliche coinvolgono ciascun amminoacido (la sua “pleiotropia”). Gli amminoacidi profondamente integrati in molti processi erano meno propensi a essere esternalizzati, suggerendo un compromesso tra il risparmio energetico e il mantenimento di funzioni metaboliche critiche internamente.

Dalle singole cellule agli animali con proteine costose

I ricercatori hanno poi mappato le vie di sintesi degli amminoacidi in 167 specie, dai parenti unicellulari degli animali a diversi gruppi animali. I parenti non animali mantenevano per lo più la capacità di produrre tutti i 20 amminoacidi, mentre gli animali mostravano una perdita coerente delle vie per lo stesso sottoinsieme costoso. È importante notare che gli animali non hanno risposto a questa perdita evitando questi mattoni costosi. Al contrario, le proteine animali utilizzano effettivamente amminoacidi energeticamente dispendiosi più frequentemente rispetto ai loro cugini unicellulari. Una volta che la produzione fu spostata sull’ambiente — tramite il cibo — la pressione evolutiva a minimizzarne l’uso all’interno delle proteine si allentò, permettendo ai geni animali di esplorare una gamma più ampia di sequenze senza sostenere completamente il costo energetico.

Una nuova visione di come sono nati gli animali

Per un lettore non specialista, il messaggio chiave è che l’origine degli animali potrebbe non essere stata un incidente straordinario, ma una rivoluzione nella gestione dell’energia. Con l’aumentare dell’ossigeno e l’abbondanza di fonti alimentari ricche di amminoacidi, i primi animali poterono risparmiare energia eliminando i passaggi di sintesi più costosi e importando quegli ingredienti. L’energia liberata fu probabilmente reindirizzata verso caratteristiche distintive degli animali, come il movimento, la segnalazione nervosa e i tessuti complessi. La distinzione familiare tra amminoacidi “essenziali” e “non essenziali” riflette così un profondo patto evolutivo: ciò che oggi dobbiamo mangiare sono esattamente gli amminoacidi che un tempo divennero troppo costosi perché i nostri antenati li producessero da soli.

Citazione: Kasalo, N., Domazet-Lošo, M. & Domazet-Lošo, T. Outsourcing of energetically costly amino acids at the origin of animals. Nat Commun 17, 1921 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68724-6

Parole chiave: amminoacidi essenziali, evoluzione animale, metabolismo ed energia, biosintesi delle proteine, ossigeno e respirazione