L’uso biologico del molibdeno e del tungsteno risale a 3,4 miliardi di anni fa

Una storia metallica nascosta nei mari antichi

Molto prima che le piante colonizzassero la terra o che gli animali popolassero gli oceani, minuscoli microrganismi già compivano chimica complessa alimentata da metalli rari. Questo articolo esplora come due di questi metalli, il molibdeno e il tungsteno, abbiano contribuito a sostenere la vita più antica della Terra più di tre miliardi di anni fa. Tracciando la storia dei geni che gestiscono questi metalli, gli autori mostrano che la vita ha iniziato a usarli molto prima, e in modi più vari, di quanto i geologi pensassero possibile.

Perché i metalli rari sono importanti per la vita

Molibdeno e tungsteno agiscono come cavalli da lavoro catalitici all’interno delle cellule, al centro di enzimi che guidano reazioni chiave nei cicli del carbonio, dell’azoto e dello zolfo. Gli organismi moderni dipendono in particolare dal molibdeno, eppure studi chimici sulle rocce antiche suggeriscono che gli oceani primitivi ne contenevano quasi nulla. Questo creava un enigma: se i mari erano così poveri di molibdeno, come poteva la vita sviluppare una dipendenza così diffusa da esso? Gli autori affrontano questo scarto non osservando le rocce, ma la macchina biologica stessa — i geni per il trasporto dei metalli, lo stoccaggio e la costruzione di speciali “cofattori” contenenti metallo che si inseriscono negli enzimi.

Leggere il tempo profondo dai genomi moderni

Il team ha assemblato un dataset di oltre 1.600 genomi che coprono batteri, archea ed eucarioti. Hanno cercato in questi genomi 102 gruppi di proteine coinvolte nell’assorbimento di molibdeno e tungsteno, nella costruzione dei loro cofattori e nel loro impiego in diverse famiglie enzimatiche. Queste proteine si trovano in organismi che vivono in una gamma impressionante di ambienti — dalle bocche idrotermali calde e prive di ossigeno alle acque e ai suoli freddi e ricchi di ossigeno. Particolarmente diffuse sono le proteine che sintetizzano il cofattore basico del molibdeno, che risulta condiviso in tutti i rami della vita, suggerendo un’origine molto antica. Al contrario, alcuni sistemi di stoccaggio e enzimi specializzati sono più rari e distribuiti in modo più frammentario.

Datare l’ascesa della chimica guidata dai metalli

Per convertire questo sondaggio genomico in una linea temporale, gli autori hanno confrontato l’albero evolutivo di ciascuna proteina con un albero della vita calibrato in età, costruito a partire da prove fossili e modelli di orologio molecolare. Questa conciliazione ha permesso loro di stimare quando eventi genici chiave, come origine, duplicazione e diffusione, probabilmente si sono verificati. La loro analisi suggerisce che enzimi che usano molibdeno e tungsteno erano già presenti nell’Eo- e Mesoarcheano, approssimativamente 3,7–3,1 miliardi di anni fa — molto prima di quanto consentano molti modelli della chimica oceanica. Il macchinario per costruire il cofattore centrale del molibdeno appare nel record tra circa 3,1 e 2,2 miliardi di anni fa, sovrapponendosi all’emergere di sistemi di trasporto completi che importano entrambi i metalli nelle cellule.

Cambiamenti con ossigeno, calore e habitat

I modelli nei genomi moderni rivelano anche come ambiente e uso dei metalli siano stati intrecciati. Le specie che tollerano o richiedono ossigeno tendono a possedere più geni legati al molibdeno, mentre i microrganismi strettamente anaerobi fanno più frequentemente affidamento sul tungsteno, specialmente in ambienti caldi. Ciò concorda con dati di laboratorio che mostrano come gli enzimi a base di tungsteno funzionino meglio ad alte temperature e in condizioni di basso potenziale redox, mentre gli enzimi a base di molibdeno possano gestire una gamma più ampia di tipi di reazione. Lo studio rileva che alcune famiglie di enzimi al molibdeno — in particolare quelle che processano composti altamente ossidati di azoto e zolfo — sono divenute più comuni dopo che l’atmosfera terrestre si è arricchita di ossigeno, suggerendo che il cambiamento nella chimica superficiale ha aperto nuove nicchie metaboliche.

Riconsiderare gli oceani primordiali e la vita antica

Nel complesso, i risultati mettono in discussione la visione di una Terra primordiale in cui la scarsità di molibdeno ne impediva l’uso biologico diffuso. Al contrario, la vita sembra aver investito presto in macchine sofisticate sia per il molibdeno sia per il tungsteno, sfruttando probabilmente ambienti locali ricchi di metalli come le bocche idrotermali. Con l’aumento successivo di ossigeno e meteorizzazione che ha incrementato l’apporto di molibdeno negli oceani, la biochimica a base di molibdeno si è ulteriormente diversificata, permettendo agli organismi di accedere a nuove fonti di energia. Per il lettore non specialista, il messaggio chiave è che il kit di strumenti metallico usato dai microbi odierni — e in ultima analisi dalle piante e dagli animali — è stato in gran parte messo insieme miliardi di anni fa, sotto cieli anossici, da minuscole cellule che hanno imparato a sfruttare al massimo tracce di questi potenti elementi.

Citazione: Klos, A.S., Sobol, M.S., Boden, J.S. et al. Biological use of molybdenum and tungsten stems back to 3.4 billion years ago. Nat Commun 17, 3943 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72133-0

Parole chiave: molibdeno, tungsteno, Terra primordiale, evoluzione microbica, enzimi metallici