La vita agli albori della Terra: ipotesi del mondo a RNA

Com’è nata la vita? Che tipo di organizzazione chimico-biologica aveva? Non lo sappiamo. E forse non lo sapremo mai. Ma la scienza non dispera e con caparbietà continua a ricercare nuovi indizi, esplorare certi percorsi e tralasciarne altrimeno plausibili. Con questo review post (che avrei dovuto pubblicare già molto tempo fa, qualcuno di voi lo ricorderà) ho cercato di fare un quadro della situazione, riportando alcuni dei lavori più rilevanti disponibili in letteratura ed incentrando il discorso sull’ipotesi ad oggi più accreditata: quella del mondo a RNA.

 

“La reale natura dei primi organismi e le esatte circostanze dell’origine della vita potrebbero essere inaccessibili per sempre alla scienza. Ma la ricerca potrebbe almeno aiutarci a capire quello che rientra nel possibile. La sfida finale è la costruzione di un organismo artificiale in grado di riprodursi ed evolvere. Ricreare la vita ci aiuterà certamente a capire come la vita può avere origine, quanto sia probabile che esista in altri mondi e, in definitiva, che cos’è la vita.” (“La vita sulla Terra”, Alonso Ricardo e Jack Szostak, Le Scienze)

In un post di qualche giorno fa (questo), ho riassunto brevemente lo studio di un gruppo di ricercatori dell’Università di Cambridge, dove viene proposta l’origine non enzimatica del metabolismo cellulare in un possibile ambiente prebiotico ancestrale. Tramite un modello che riproduce la chimica probabilmente esistita sulla Terra miliardi di anni fa (anossia, alte temperature, alto potere riducente, composizione ionica caratterizzata da un ricco contenuto di Fe(II) ed altri metalli del blocco s e di transizione), simile a quello (questo qui) messo a punto, per la prima volta nella storia della scienza, da Stanley Miller e Harold Urey nel 1953,  è possibile registrare reazioni chimiche non enzimatiche del tutto sovrapponibili a quelle del metabolismo centrale (glicolisi e via dei pentoso-fosfati) di tutti i sistemi viventi, dall’uomo al batterio. Esiste infatti un filo conduttore che accomuna tutti gli organismi viventi: è il metabolismo cellulare ed il suo complesso ingranaggio molecolare, la rete di reazioni chimiche fondamentali per la vita. Vita, la cui nascita sarebbe strettamente connessa alle caratteristiche geochimiche e chimico-fisiche presenti all’epoca sul giovane pianeta Terra ed ancora oggi in parte presenti nelle bocche idrotermali dei fondali oceanici ed in alcuni stagni termali, come quelli del National Park di Yellowstone, negli Stati Uniti d’America. Un dato interessante è che tra i prodotti isolati nel brodo primordiale in miniatura i ricercatori hanno anche identificato nucleotidi ed altri precursori degli acidi nucleici, in particolare quelli associati all’RNA, una molecola che secondo molti scienziati avrebbe potuto formarsi spontaneamente e generare copie di sé stessa prima dell’avvento del DNA e delle proteine.

 

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Figura: Sunset Lake, Yellowstone National Park. Fonte: MNPC

L’origine della vita è una questione ancora apertissima, tutta da comprendere e che lascia esterrefatti quando si pensa che ogni singola cellula è un concentrato di altissima ingegneria, un microcosmo di macchinari molecolari che cooperano a sostegno della sopravvivenza di organismi,  tutti provenienti da semplici specie chimiche inanimate. Attualmente, gli scienziati sono divisi in due grandi gruppi, entrambi comunque concordi, senza considerare la teoria della panspermia (cioè la derivazione da altri mondi dei primi organismi viventi approdati sulla Terra), nel ritenere che la vita sia nata sulla Terra e per abiogenesi, cioè a partire da reazioni chimiche di materia (ioni, atomi e piccole molecole) non vivente. Da una parte c’è chi pensa che, nel brodo primordiale, l’origine della “biologia” sia riconducibile ad un network di reazioni metaboliche “enzyme-free”, catalizzate essenzialmente dai metalli in soluzione. Dal metabolismo sarebbero poi emersi gli RNA, quindi gli enzimi ed infine il metabolismo come oggi lo conosciamo. Dall’altra parte c’è chi invece ipotizza che la prima molecola della vita sia stata l’RNA, in grado di conservare e trasmettere l’informazione genetica attraverso la capacità di produrre nuove copie di sé stessa, come fa il DNA, ed in più dotata di attività enzimatica, come le proteine. Solo dopo, con l’ausilio degli enzimi proteici, sarebbe emerso il metabolismo. Il dubbio è dunque se è venuto prima il metabolismo prebiotico o il mondo a RNA. Le vie metaboliche sono il risultato di una selezione evolutiva a carico degli enzimi, e dunque conseguenza di un possibile mondo a RNA, oppure è la genetica che ha avuto inizio da un metabolismo prebiotico? Naturalmente una risposta certa alla domanda ancora non ce l’abbiamo e probabilmente non l’avremo mai.

 

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Figura: L’origine (sconosciuta) del metabolismo. Fonte: Pier Luigi Luisi, Molecular System Biology, 2014.

Il grande obbiettivo della scienza è conoscere quale struttura e quali proprietà termodinamiche e cinetiche doveva avere la più primitiva e semplice biomolecola apparsa sulla Terra e come la sua comparsa si sia conciliata con la formazione delle prime membrane biologiche, in un ambiente riducente e abbondante di precursori organici a basso peso molecolare, come quelli individuati da Miller e Urey nei loro famosi esperimenti, e negli ultimi anni rianalizzati con le più moderne tecnologie (come in questo caso). A rendere il quadro complicato sono tutte le teorie che pongono all’origine della vita, prima ancora dell’avvento del mondo a RNA, molecole simili ai ribonucleotidi e all’RNA per caratteristiche chimico-fisiche, ma più performanti in termini di replicazione e stabilità in un sistema protocellulare. In molti casi è stata osservata la fattibilità sintetica di strutture alternative all’RNA in condizioni prebiotiche, come nel caso dei polimeri a base di ribonucleotidi pirimidinici descritti su Nature da un articolo di Powner del 2009 (questo); mentre, nel caso degli acidi nucleici fosforamidati, proposti da Orgel in una pubblicazione del 2004 (su cui si discute qui) come molecole progenitrici dell’RNA, non è stata dimostrata la compatibilità con l’environment primitivo. L’insieme di molecole, indicate collettivamente come pre-RNA (per la loro ipotetica comparsa sulla Terra prima dell’avvento dell’RNA) annovera anche gli acidi peptidonucleici (PNA), su cui ho scritto una news clamorosa, questa (ma è un pesce d’Aprile), gli acidi treonucleici (TNA) e gli acidi gliconucleici (GNA). In tutti e tre  i casi si tratta di molecole artificiali la cui sintesi in condizioni prebiotiche è ancora tutta da dimostrare.

 

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Figura: Un polimero artificiale di PNA (in blu) può interagire con una sequenza di DNA complementare. L’acido Peptidonucleico, o PNA, è un polimero organico a struttura mista, simile ad un acido nucleico ma con lo scheletro simile a un peptide. Il suo scheletro molecolare è composto da unità ripetute di N-(2-amminoetil)-glicina unite tramite legami peptidici. Basi azotate puriniche e pirimidine sono legate al backbone peptidico tramite legami metilene-carbonili. I PNA combinano le proprietà di deposito di informazione genetica con la stabilità chimico-fisica delle proteine. Fonte: Ivyspring.

 

Nella cellula l’RNA viene prodotto a partire da una sequenza di DNA complementare, tramite un processo enzimatico chiamato “trascrizione”. L’RNA sorge dall’unione covalente di più unità elementari chiamate ribonucleotidi, tenuti insieme da legami fosfodiestere. Ciascun ribonucleotide presente in una molecola di RNA è un monomero formato da tre componenti: un ribosio (monosaccaride), un fosfato ed una base azotata. Al ribosio è legata una delle quattro basi azotate (Adenina, Uracile, Guanina, Citosina), attraverso un legame N-glicosidico, più un gruppo fosfato che esterifica al 5’. L’interazione covalente tra i singoli mattoncini che compongono l’RNA coinvolge il gruppo fosfato di un monomero con il gruppo –OH sul terzo atomo di carbonio del monomero precedente. Complessivamente, possiamo guardare all’RNA come uno scheletro zucchero-fosfato a cui sono agganciate in maniera covalente tante basi azotate quante sono le unità che costituiscono l’acido nucleico.

 

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Figura: Struttura di base dell’RNA. Fonte: Wikipedia

 

Oggi l’RNA risulta essere una molecola centrale nell’espressione genica di tutti gli organismi viventi, poiché sta nel mezzo del flusso dell’informazione genetica, tra il DNA e le proteine. Notoriamente, nella cellula l’RNA serve per trasmettere l’informazione genetica fuori dal nucleo, dove ha luogo la sintesi proteica, ma l’RNA può essere anche un biocatalizzatore di reazioni chimiche, un cosiddetto “ribozima”. I ribozimi sono rari enzimi a RNA, sebbene in certi casi responsabili di funzioni assolutamente fondamentali e ubiquitarie, capaci di catalizzare specifiche reazioni biochimiche in maniera simile agli enzimi proteici. Esempio classico di RNA catalitico è la peptidiltransferasi della subunità maggiore dei ribosomi, un ribozima che, con l’ausilio dello ione magnesio e senza l’intervento della componente proteica, catalizza la reazione di formazione dei legami peptidici nel corso della sintesi proteica. Ribozimi sono inoltre responsabili dello splicing e della maturazione dei tRNA (tramite catalisi del taglio dei legami fosfodiesterici), oltre che della replicazione di alcuni virus.

 

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Figura: Il centro catalitico peptidiltransferasico, utilizzato dai ribosomi per creare legami peptidici, è un ribozima. Fonte: Nature

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Figura: Struttura cristallografica della ribonucleasi P batterica complessata con una molecola di tRNA (giallo). L’RNasiP è un ribozima che taglia una sequenza di RNA precursore, producendo molecole di tRNA mature. Fonte: PDB

Gli RNA si trovano in enzimi ribonucleoproteici come la telomerasi, che aiuta a mantenere integri i cromosomi. Più recentemente, all’RNA sono stati attribuiti diversi ruoli regolatori dell’espressione genica, come i riboswitches, brevi segmenti di mRNA in grado di legarsi ad una molecola bersaglio (ad esempio, l’amminoacido lisina) e cambiare la propria struttura secondaria in modo tale da modulare l’espressione genica a livello della trascrizione o della traduzione, tramite diversi meccanismi dimostrati sperimentalmente.

Questa funzione è stata osservata soprattutto in batteri, piante, funghi e archibatteri. Negli eucarioti la funzione regolatoria è in parte svolta dai microRNA, frammenti di dsRNA di circa 22 bp che regolano la traduzione o la trascrizione agendo in cis o in trans sul DNA. Oggi si ritiene infatti che l’RNA interference sia implicato non solo a livello dell’mRNA ma anche a livello di regolazione della cromatina, come ipotizzato da Volpe e Martienssen (qui). Al profilo di RNA regolatori possiamo aggiungere anche gli RNA lunghi non codificanti, lncRNA, i quali hanno pure una funzione di modulazione in cis dell’espressione genica attraverso il richiamo di proteine che modificano la cromatina di porzioni variabili di un cromosoma.

 

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Figura: Schema generale di funzionamento dei riboswitch. La traduzione è impedita quando l’mRNA interagisce con un ligando, cambiando la propria struttura terziaria. Fonte: Indiana University

 

Nelle cellule, l’RNA spesso si trova operare in concerto con le proteine. I ribosomi, ad esempio, li usano entrambi per produrre nuove proteine. Ciononostante, ormai sappiamo per certo che nella sintesi proteica l’RNA ha un ruolo da protagonista, come nel caso (appena anticipato) della catalisi della reazione di formazione del legame peptidico o nell’interazione codone-anticodone (un’interazione tra molecole di RNA). L’unione di RNA e proteine si trova anche nello spliceosoma, un complesso enzimatico formato da proteine e piccole molecole di RNA nucleare, chiamate snRNA, responsabile dello splicing catalizzato.  Sebbene sia stata rilevata attività di splicing da parte di snRNAs puri, lo splicing per essere efficiente richiede la collaborazione tra quasi 200 proteine e 5 snRNA. Ciononostante, in letteratura sono noti introni capaci di autocatalizzare la loro rimozione dal trascritto (introni di gruppo II), dimostrando che l’RNA è dotato di attività catalitica e che questa attività viene svolta su sé stesso. Le similarità funzionali tra molecole esclusivamente a RNA e complessi RNA:proteine sono l’indizio di un possibile continuum tra una mondo a RNA primordiale ed il mondo attuale, dove l’RNA opera in comunione con le proteine.

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Figura: Autosplicing (a sinistra) e Splicing catalizzato dallo spliceosoma (a destra). Fonte: Treccani.it

 

L’ipotesi del mondo a RNA è stata avanzata alla fine degli anni ’60 dai più illustri scienziati di quel periodo, Francis Crick, Leslie Orgel e Carl Woese, mentre il termine “mondo a RNA” è stato coniato successivamente dal premio Nobel Walter Gilbert (1986). L’ipotesi si basa sull’assunto che molecole di RNA termodinamicamente stabili siano emerse da un processo rudimentale di selezione darwiniana, grazie al fatto di essere dotate di attività RNA polimerasica. L’RNA sarebbe stato il primo vero sistema vivente a comparire sulla Terra, se ci rifacciamo alla definizione di “vita” data dal chimico Gerald Joyce: “un sistema chimico che si autosostenta e passibile di evoluzione darwiniana”.

 

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Figura: Walter Gilbert. Fonte: RUGU

 

La comparsa dell’RNA, secondo l’ipotesi, avrebbe preceduto le altre principali molecole della vita, il DNA e le proteine. I ribozimi sarebbero stati i primi sistemi capaci di replicare sé stessi e altri RNA. L’assunto, come detto, è confortato da innumerevoli prove scientifiche circa l’esistenza di RNA ad attività catalitica. La prima prova sperimentale arrivò nel 1982 grazie agli studi di Kelly Kruger, che introdusse il termine “ribozima”. Ciononostante, ancora oggi non ci sono prove definitive di ribozimi naturali in grado di replicare molecole di RNA, mentre abbiamo diversi dati relativi alla produzione in laboratorio di ribozimi che fanno questo lavoro. Nel 2001, ad esempio, uno studio pubblicato su Science (questo) ha dimostrato che una sequenza di RNA era in grado di replicare uno stampo di acido ribonucleico o sé stesso dopo aggiunta, nella soluzione, di un primer a RNA e dei nucleotidi trifosfati.

Secondo il modello del mondo a RNA l’evoluzione della vita avrebbe avuto inizio a partire da una complessa miscela di composti organici, la cui sintesi sarebbe stata spontaneamente guidata dalle condizioni geofisiche e chimiche prevalenti sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa. Tra le molecole organiche presenti, probabilmente anche simili all’RNA, avrebbe avuto luogo una sorta di competizione molecolare da cui l’acido ribonucleico l’avrebbe spuntata grazie alla sua capacità di auto-replicarsi. Da un sistema biologico protocellulare (come quello rappresentato sotto), basato interamente sull’RNA, si sarebbe passati quindi gradualmente ad una fase intermedia di convivenza con le proteine, la cui sintesi era mediata dai ribozimi.

 

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Figura: La protocellula secondo il biochimico Jack Szostak: un bilayer sferico di acidi grassi racchiudono all’interno molecole di RNA autoreplicanti. Fonte: Harvard Medical School

 

Da qui in poi, proteine e RNA avrebbero iniziato ad operare anche all’unisono, a formare le ribonucleoproteine. Solo più recentemente sarebbe emerso il DNA, il quale è chimicamente più adatto alla conservazione e trasmissione dell’informazione genetica rispetto all’RNA, perché detiene una maggiore stabilità chimica; la comparsa del DNA e di LUCA, ”ultimo antenato comune universale”, avrebbe relegato definitivamente l’RNA ad un ruolo da comprimario nella custodia dell’informazione genetica. Le proteine, d’altro canto, grazie alla loro maggiore variabilità strutturale (20 amminoacidi a fronte di 4 nucleotidi), avrebbero scalzato l’RNA dal punto di vista della catalisi di reazioni chimiche sempre più complesse e specializzate.

 

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Figura: Il percorso che la chimica prebiotica ha compiuto fino ad arrivare al mondo a RNA (clicca sull’immagine per i dettagli). Fonte: Nature chemistry

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Figura: Confronto semplificato tra il dogma centrale della biologia e l’ipotesi del mondo a RNA. Fonte: Paul Higgs – Research Topics

 

Dobbiamo ricordarci infatti che, nonostante la grande somiglianza strutturale, l’RNA è decisamente più instabile del DNA a causa della presenza di un gruppo ossidrile in posizione 2’ nell’unità di d-ribosio. Questo gruppo, soprattutto quando l’RNA si trova a singola elica ed in ambiente basico, attacca nucleofilicamente il fosfato distante da lui 5 atomi, provocando la rottura dello scheletro, dopo la formazione di un intermedio ciclico a 5 termini. In altre parole, avviene una fissione acilica, un attacco nucleofilo intramolecolare con l’uscita della catena di RNA a valle rispetto al punto di rottura. In questo modo si spezzano i ponti fosfodiesterei e l’RNA viene degradato. La natura non usa NaOH per fare l’idrolisi dei ponti fosfodiesterei, ma usa le Ribonucleasi, che sono fosfodiesterasi capaci di degradare l’RNA sfruttando un meccanismo analogo a quello qui descritto. Invece di deprotonare l’ossidrile in 2’ con una base forte, l’enzima usa un anello imidazolico. La grande differenza tra il metodo chimico con NaOH e l’attività catalitica dell’RNasi sta nel prodotto: l’enzima produce solo il derivato 3’-fosfato.

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Figura: “Idrolisi basica” di una generica catena di RNA

 

La fragilità dell’RNA non implica comunque che questa molecola non potesse essere adatta alla archiviazione dell’informazione genetica all’origine della vita. Anzi, la sua naturale instabilità potrebbe essere stata un vantaggio in termini di maggiore frequenza di generazione di nuove specie molecolari, e dunque nuove funzioni.

Nella visione di un mondo a RNA, le unità d-ribonucleotidiche “energeticamente attivate” erano inizialmente libere di diffondere nel brodo primordiale, potevano dare interazioni deboli non covalenti, formare polimeri e dissociarsi. Per molto tempo si è creduto che l’ambiente ideale per l’abiogenesi fosse quello delle sorgenti di acqua calda sul fondo degli oceani, come ipotizza la teoria del mondo a ferro-zolfo, ma studi più recenti (come questo) suggeriscono che la vita sia nata in “vasche d’acqua” superficiali, poco profonde, di vapore geotermico condensato, oppure in terreni argillosi. Molecole organiche, inorganiche e ioni metallici precursori della vita sarebbero stati trasportati in superficie dai flussi idrotermali dove, le temperature più basse e la maggiore concentrazione delle sostanze avrebbero favorito la sintesi di RNA e protocellule. L’ipotesi si basa su analisi del metalloma cellulare: nel citoplasma delle cellule certi metalli, come zinco e potassio, sono molto più abbondanti di altri, e questa maggiore presenza sarebbe dovuta al fatto che le prime cellule sarebbero comparse fuori dagli oceani anziché sul fondo, vicino ai punti di esalazione dei campi geotermici, nei cosiddetti “stagni di Darwin”, dove questi metalli erano più biodisponibili.

Dal punto di vista termodinamico, la sintesi di alcune sequenze di RNA era energeticamente più favorita rispetto ad altre, poiché dava prodotti più stabili di altri che invece si decomponevano più facilmente; la differente stabilità poteva dipendere per esempio dalla particolare struttura terziaria assunta dalle molecole (struttura che poteva giustificarne anche l’eventuale attività polimerasica o di ligasi) o dal numero totale di interazioni a idrogeno che molecole di RNA diverse erano in grado di instaurare. Anche minime differenze energetiche, equivalenti allo scarto di una o due interazioni a idrogeno, avrebbero fatto sì che emergesse una prima rudimentale forma di selezione naturale, una competizione molecolare di tipo darwiniano, dove certe sequenze avevano la meglio sulle altre perché godevano di una termodinamica ed una cinetica più efficiente e dunque riuscivano ad accaparrarsi prima di altre i mattoncini necessari per realizzare la propria sintesi. Gli acidi ribonucleici in grado di riprodursi e dare prodotti stabili, sopravvivevano e si evolvevano grazie alla comparsa di mutazioni casuali che si fissavano sul materiale genetico a seguito dei processi di replicazione.

 

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Figura: Possibili attività catalitiche di una molecola di RNA: A) Cross-replicazione per ligazione, dove una molecola di RNA catalizza la sintesi dell’altra, e viceversa; B) Replicazione per attività polimerasica, a partire da un primer, su RNA template complementare. Fonte: Cold Spring Harbor Laboratory Press

 

Sulla modalità di replicazione delle sequenze di RNA sono stati fatti diversi studi, condotti da più gruppi di ricerca. Uno dei lavori più rilevanti è quello di Lincoln e Joyce, pubblicato nel 2009 su Science (qui l’abstract), dove si dimostra che tramite un processo di competizione molecolare (nota come tecnica dell’ “evoluzione in vitro”) sequenze differenti di RNA cooperano per catalizzare a vicenda la propria sintesi per ligazione, predominando su una popolazione eterogenea di RNA di partenza, in cui erano presenti in tutto quattro oligonucleotidi. Si tratta di RNA cross-replicanti, dove l’uno è il catalizzatore dell’altro, l’uno lo stampo dell’altro; un esempio, questo, di selezione Darwiniana, in linea con altri studi presenti in letteratura, come quelli del biochimico, e premio Nobel per la medicina 2009, Jack Szostak, inventore della tecnica dell’evoluzione in vitro.

 

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Figura: Schema dell’esperimento di Lincoln e Joyce sugli RNA cross-replicanti: la generazione di E, a partire da A e B, è catalizzata da E’. La sintesi di E’, a sua volta, è catalizzata da E, che usa i substrati A’ e B’. Fonte: Mapology.org

 

Szostak ha anticipato le osservazioni di Lincoln e Joyce lavorando su un modello di cellula primitiva, una protocellula nata per via abiotica e costituita da molecole di RNA replicanti inserite dentro vescicole di acidi grassi, anfifiliche e semipermeabili, anch’esse capaci di riprodursi tramite l’alternanza di eventi di crescita e successiva divisione e di sottostare alla selezione darwiniana in funzione del loro contenuto di RNA. Il suo studio è stato pubblicato su Nature nel 2008 e lo trovate qui.

 

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Figura: Le cellule primitive (sullo sfondo) teorizzate dal premio Nobel Jack Szostak (in foto). Fonte: Harvard magazine

 

I fenomeni di competizione e cooperazione tra molecole di RNA potrebbero essere stati facilitati proprio dall’incorporazione dei ribonucleotidi nelle protocellule, dentro cui sarebbero state favorite le reazioni metaboliche primitive ed i processi di replicazione. Le protocellule contenenti il cocktail di RNA template e catalitico più performante si sarebbero divise più frequentemente di altre, dominando sulla popolazione primitiva di cellule.

 

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Figura: Ipotetica competizione darwiniana nella popolazione di protocellule. Fonte: From the Desk of Shamelessly Atheist

 

Secondo alcuni fisici dell’Università di Harvard, le prime protocellule potrebbero essersi formate naturalmente grazie a robuste “bolle” di argilla semipermeabili, in grado di rallentare la diffusione di grosse molecole, generare gradienti elettrochimici e favorire al loro interno sia la genesi di vescicole lipidiche che la sintesi di polimeri di RNA (qui alcuni dettagli).

 

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Figura: Immagine SEM della superficie esterna di una vescicola “bolla” di argilla. Fonte: Harvard School of Engineering and Applied Sciences

 

Quali caratteristiche potrebbe aver avuto dunque il primo “ribo-organismo”? Sempre il team di Szostak, in uno studio del 2013 pubblicato su Science (e discusso qui) ha avanzato l’ipotesi che nel mondo a RNA la protocellula sia stata spazialmente definita e delimitata da una membrana dinamica a doppio strato di acidi grassi saturi a catena corta (ed esterificati con glicerolo o altri alcoli e comunque chimicamente più semplici rispetto ai fosfolipidi), altamente permeabile a ioni e piccole molecole (come monosaccaridi e “nucleotidi insoliti” come quelli proposti da alcuni autori, tra cui Orgel, che non risentono degli effetti repulsivi delle cariche negative degli acidi grassi). Le vescicole sarebbero state in grado di crescere e dividersi attraverso vari meccanismi possibili; un’ipotetica modalità di divisione prevede una prima fase di acquisizione di nuovi acidi grassi da parte della vescicola sferica; poi la vescicola si trasforma in una struttura filiforme allungata, finendo per rompersi in tante sfere più piccole. Ciascuna vescicola in divisione contiene una o più molecole di RNA in grado di replicare sé stesse ed altri RNA a concentrazioni di ione Mg2+ controllate. Gli scienziati si erano infatti accorti che l’attività catalitica dell’RNA e la formazione delle vescicole lipidiche potevano avvenire in concerto solo in presenza di certi agenti chelanti (in un range di costanti di formazione dei complessi metallo-leganti), come il citrato, che però era probabilmente ancora poco diffuso nel brodo primordiale.

 

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Figura: Ipotetico ciclo vitale di una protocellula. Credit: K. Adamala. Fonte: Natura Matematica

 

Una caratteristica sorprendente delle protocellule di Szostak e colleghi è la capacità delle membrane di resistere a cicliche escursioni di temperatura tipiche dei sistemi geotermici convettivi e necessarie per la separazione dei filamenti di acido nucleico (ad alte temperature) e la successiva fase di replicazione (che richiedono temperature più basse al fine di garantire l’appaiamento tra il primer ed il template) all’interno delle vescicole stesse. Allo stesso modo, l’innalzamento della temperatura aumenta la permeabilità ai reagenti indispensabili per la sintesi.

L’incapsulamento degli acidi nucleici nello spazio racchiuso dalla membrana deve essere stato un step chiave e precoce per la vita. Esso protegge il genoma dalla degradazione, permette a piccole molecole di trovarsi nella concentrazione adeguata per le funzioni della cellula, consente alle reazioni metaboliche di avere luogo in maniera cineticamente efficiente, senza dispersione di reagenti e prodotti nell’ambiente circostante.

Di seguito riporto alcune delle argomentazioni a favore del mondo a RNA formulate dal biochimico e premio Nobel Thomas Cech nella sua review “The RNA Worlds in Context”, pubblicata nel 2011 su CSH perspectives (consultabile qui):

  1. L’RNA può sia conservare e trasmettere l’informazione genetica alle nuove generazioni che agire da biocatalizzatore, cioè può servire sia come genotipo che come fenotipo, mentre le proteine sono estremamente limitate a trasmettere l’informazione. L’ipotesi del mondo a RNA elimina quindi il paradosso “prima l’uovo o la gallina” del DNA che per fare le proteine ha bisogno delle proteine. Nei primi organismi il problema non ci sarebbe perché l’RNA assolve ad entrambi i compiti informazione e catalisi.
  2. Certi RNA sono capaci di replicare sé stessi o altre molecole di RNA quando si trovano in condizioni che riproducono la chimica riducente e la geofisica ancestrale.
  3. È più parsimonioso concepire l’idea della predominanza di un singolo tipo di molecola capace di autoreplicarsi piuttosto che l’ipotesi che differenti tipi di molecole siano emerse per mezzo di reazioni chimiche casuali avvenute nello stesso posto e nello stesso tempo.
  4. Il ribosoma di tutti gli esseri viventi usa l’RNA come catalizzatore per compiere la sintesi proteica, pertanto questa funzione doveva essere presente anche in LUCA.
  5. Altre attività catalitiche dell’RNA – probabilmente possedute in passato – sono generalmente presenti in numerose librerie combinatoriali di sequenze di RNA prodotte in laboratorio.
  6. L’RNA è un predecessore del DNA perché numerosi enzimi partecipano alla biosintesi dei ribonucleotidi, mentre la biosintesi dei deossiribonucleotidi di fatto deriva da quella dei ribonucleotidi e richiede soltanto due enzimi addizionali, la timidilato sintasi e la ribonucleotide reduttasi.
  7. L’idea di un mondo a RNA ha la caratteristica attrattiva della continuità; l’RNA si è evoluto nella biologia contemporanea, mentre non è chiaro come un sistema autoreplicante basato su una chimica completamente diversa da quella che conosciamo possa essere stata soppiantata dalla chimica dell’RNA.

L’ipotesi del mondo a RNA è supportata dal fatto che alcuni componenti critici per le cellule, per esempio i ribosomi, sono composti quasi del tutto da RNA e modifiche a carico dell’RNA, anziché delle proteine, ne alterano la funzione (Noller, 1993). Inoltre, molti composti indispensabili per la vita, quali ATP, Acetil-CoA, NADH, sono o nucleotidi o molecole chiaramente correlate con esse. Addirittura c’è chi, come il prof. Harold White ha sostenuto che i coenzimi essenziali per l’attività di molti enzimi non siano altro che “fossili” di ribozimi (lo spiega qui).  L’RNA ed i cofattori nucleotidici oggi presenti nelle moderne cellule altro non sarebbero che una reminiscenza evolutiva di un sistema “ribozimico” arcaico che ha preceduto la biologia attuale.

Ammessa l’esistenza di un mondo a RNA, è doveroso precisare che ad oggi c’è molta perplessità intorno all’idea che l’RNA sia stato il primo vero sistema auto-replicante ad apparire sulla Terra primordiale. All’inizio di questo post ho introdotto l’ipotesi di un mondo pre-RNA, dove uno o più tipi di acidi nucleici, caratterizzati da un backbone diverso dal ribosio-fosfato, potrebbero aver anticipato l’avvento dell’RNA. L’ipotesi, sostenuta ad esempio da Larralde, si fonda sull’evidenza sperimentale che in condizioni prebiotiche le molecole di ribosio non hanno tutte la stessa chiralità (l’RNA richiede molecole di ribosio in configurazione D) ed inoltre la stabilità sua, e di altri aldopentosi e aldoesosi, è troppo blanda anche in una soluzione debolmente basica per essere stato effettivamente abbondante negli oceani ancestrali e dunque presente nella prima “molecola vivente”. Lo studio di Larralde si trova su PNAS e se volete potete consultarlo qui.

Altri autori hanno invece messo in discussione l’inclusione delle basi azotate citosina e uracile poiché queste pirimidine non sono mai state identificare nei protocolli di sintesi in condizioni prebiotiche e ad alte temperature si degradano in poco tempo. Anche la cinetica di formazione del legame N-glicosidico tra il ribosio e le purine è risultato essere spesso inefficiente. I precursori dell’RNA non sembrano cioè avere i requisiti adatti per il loro accumulo nel brodo primordiale ed in generale le condizioni impiegate nei modelli sperimentali mal si adattano alla chimica dei nucleotidi. In certi casi, pur generando spontaneamente, i tre componenti di un nucleotide (base, zucchero e fosfato) non riescono a legarsi nel modo corretto oppure l’energia del sistema non è sufficiente affinché la reazione di sintesi vada in porto. I nucleotidi trifosfati sono stati etichettati come “molecole non plausibili” in qualsiasi scenario prebiotico e secondo Joyce e Orgel ciò è dovuto al fatto che dal processo di replicazione dell’RNA verrebbero fuori molecole non corrette, con  legami 5’,5’-pirofosfato o 2’,5’-fosfodiestere, anziché 3’,5’-fosfodiestere. C’è da dire comunque che qualsiasi modello si usi per riprodurre la chimica prebiotica, sarà sempre una rappresentazione della chimica dai contorni definiti dalle nostre conoscenze, alquanto limitate.

Dinanzi alla difficoltà di conciliare la chimica dell’RNA e delle membrane biologiche in un contesto geochimico primitivo, nel 2009 un team di scienziati dell’Università di Manchester, guidato dal chimico John Sutherland, ha individuato un percorso chimico in grado di produrre i nucleotidi pirimidinici, fino a quel momento molto difficili da ottenere in condizioni prebiotiche. I ricercatori, in questa circostanza, hanno avuto l’intuizione, guidata dalla loro creatività, di intraprendere una strada chimica alternativa: si parte sempre da composti più semplici, quali glicoaldeide, gliceraldeide, gliceraldeide-3-fosfato, fosfato inorganico, cianammide e cianoacetilene, ma, a differenza dei protocolli tradizionali, spesso fallimentari, si arriva ad un intermedio di reazione (il 2-ammino-ossazolo) e da qui al nucleotide completo. Prima, invece, la procedura consisteva nella preparazione, separata, dei tre componenti dei nucleotidi; successivamente, si tentava di unirli. Reazioni successive, indirizzate dall’esposizione alla radiazione UV (uno dei fattori chiave delle reazioni chimiche primordiali probabilmente avvenute nelle acque poco profonde), portano al nucleotide completo e strutturalmente corretto. Chi vuole approfondire lo studio di Sutherland, può farlo qui e qui. Bisogna comunque precisare che gli studi di Sutherland si sono focalizzati sui nucleotidi pirimidinici. Non ci sono ancora dimostrazioni sull’applicabilità di questa procedura ai nucleotidi purinici.

 

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Figura: Modelli a confronto. Fonte: The New York Times Company

 

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Figura: Sintesi abiotica del nucleotide citidilico secondo la strategia di Sutherland. Fonte: The Origin of Life

 

Altre ricerche, come quelle di Raffaele Saladino e del suo team di ricerca dell’Università “La Sapienza” di Roma (le trovate qui e qui), dimostrano che è possibile produrre tutti e quattro i ribonucleotidi, oltre che acidi carbossilici ed amminoacidi, ed ottenere polimeri di RNA, semplicemente partendo dalla formammide (e altri componenti, tra cui i fosfati) e fornendo calore alla soluzione. Perché la formammide? Perché questa molecola organica può essere ottenuta dalla combinazione di acqua ed acido cianidrico, due composti ritenuti essere stati abbondanti sulla Terra all’origine della vita.

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Figura: Formammide. Fonte: Wikipedia

 

In definitiva, le conoscenze fin qui acquisite supportano (ma non certificano) l’idea che un mondo a RNA sia realmente esistito e che non abbia mai cessato di evolvere da quando si è formato a partire dai composti chimici presenti sulla Terra miliardi di anni fa. Oggi, i resti di un mondo a RNA potrebbero essere nelle cellule del nostro corpo, se è vero ad esempio che l’RNA catalitico dei ribosomi ha origini primordiali. Molte evidenze ed altrettante prove sperimentali sostengono l’ipotesi di questo scenario, anche se bisogna precisare che attualmente in pochi condividono l’idea che la vita abbia avuto effettivamente inizio con l’RNA. Non possiamo escludere con fermezza che altri sistemi, con chimiche anche molto diverse dall’RNA, abbiano avuto la capacità di riprodursi ed evolversi, dando loro (anziché l’RNA) origine alla vita.

La ricerca è in pieno fermento ed ancora oggi non smette di aggiungere altra carne al fuoco. L’ultima notizia, annunciata su Nature e finita sotto i riflettori dei media di tutto il mondo (ne ho parlato anche io qui), si riferisce alla possibilità concreta di trasferire gli studi sull’evoluzione della vita dalla provetta ad organismi viventi con modifiche chimiche “insolite” se rapportate al presente. Un salto enorme, soprattutto alla luce dei discorsi fatti in questa sede, che potrebbe aprire a nuovi ed affascinanti orizzonti.

 

A conclusione di questo post, riporto le parole di Robert Hazen, geologo della George Mason University, estratte da un articolo di “Le Scienze” (n. 531, novembre 2012, pag. 70):

« […] Nell’arco di circa 10.000 anni una versione moderna dell’esperimento di Urey e Miller potrebbe effettivamente produrre una rudimentale molecola autoreplicante, capace di evolvere mediante selezione naturale: in breve, la vita. […] La spiegazione più plausibile è che le molecole autoreplicanti si siano formate prima sulla superficie delle rocce. Le superfici umide della Terra primordiale avrebbero costituito un grande laboratorio naturale, portando avanti in qualsiasi momento qualcosa come 1030 piccoli esperimenti, per un periodo durato forse da 100 a 500 milioni di anni. Un esperimento di laboratorio che duri per 10.000 anni può quindi tentare di ricreare questa situazione eseguendo un gran numero di piccoli esperimenti contemporaneamente. Dall’esterno, queste incubatrici molecolari apparirebbero come stanze piene di computer ma al loro interno ci sarebbero laboratori chimici on-chip, contenenti centinaia di pozzi microscopici, ognuno con diverse combinazioni di composti che reagiscono su una varietà di superfici minerali. […] Sarebbe possibile ridurre il tempo necessario da milioni a migliaia di anni concentrando gli esperimenti su composti che hanno maggiori probabilità di comportarsi in modo interessante. Con un po’ di fortuna, alla fine avremmo imparato abbastanza cose su come lavora la natura per riuscire a ridurre ulteriormente questo tempo a poche decine di anni. »

 

Dedico questo post al mio amico Fabrizio Strino e lo ringrazio per avermelo proposto.

Alla prossima!

Giuseppe D’Anna

 

Bibliografia: 

 

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