L'evoluzione prebiotica Parte 2: Il mondo a RNA Daniele Dondi Dip.to di Chimica Generale dell’Università di Pavia Email: dondi@unipv.it Web: www.carbonclub.it

Nella parte precedente abbiamo visto come sia possibile creare in condizioni ‘prebiotiche’ le molecole fondamentali della vita: aminoacidi, zuccheri e basi azotate. Altri lavori hanno dimostrato come sia possibile ottenere polimerizzazioni in condizioni ‘prebiotiche’. Questi studi mostrano sempre delle lacune (ad esempio la necessaria separazione degli ambienti di reazione). Inoltre appare più semplice la polimerizzazione degli aminoacidi rispetto a quella delle basi azotate.

Per avere un sistema che evolve verso una complessità crescente è indispensabile avere un meccanismo di replicazione (autoreplicazione). In questo modo si assicura una conservazione dell’informazione. Il livello di complessità raggiungibile dipende fortemente dalla fedeltà nella riproduzione. Questa non deve essere né troppo bassa (in tal caso l’informazione verrebbe persa) né troppo alta (non si avrebbe evoluzione).

Per un sistema evolutivo, per questioni energetiche e termodinamiche, è necessario ricevere continuamente dall’ambiente energia e materia da trasformare. Prigogine identifica queste strutture col termine di strutture dissipative. Per questo lavoro ricevette nel 1977 il premio Nobel per la chimica.

É nato prima l’uovo o la gallina? DNA Proteine RNA Il senso comune ci spinge a pensare che uno di questi sistemi si sia sviluppato per primo.

Thomas Cech Sidney Altman Alcuni tipi di RNA possono fungere da enzimi verso se stessi, tagliandosi in due e ricucendosi nuovamente

1986 Walter Gilbert introduce il termine “mondo a RNA” Brachet 1959; Woese 1967; Crick 1968; Orgel 1968; White 1976; Pace and Marsh 1985; Sharp 1985; Alberts 1986; Gilbert 1986; Cech 1986; Lewin 1986; Weiner and Maizels 1987; Benner et al. 1989; Gibson and Lamond 1990; Joyce 1989, 1991; Kenneth and Ellington 1995...

DNA Informazione Catalisi Proteine RNA

Leslie Orgel

Quando la catena cresce, è possibile che l’autocomplementarietà ripieghi la molecola su se stessa formando delle ‘anse’. Questo meccanismo solitamente porta a RNA con caratteristiche catalitiche ‘interessanti’.

Esempio dell’importanza delle anse, l’RNA transfer Nel nostro caso il meccanismo di replicazione si complica inevitabilmente, in quanto non può avvenire con la catena ripiegata ma deve avvenire in due stadi

… Separazione catena principale e complementare Ripiegamento La catena complementare segue un ciclo analogo

Dal punto di vista energetico, è necessaria energia per ‘srotolare’ l’RNA e per separare la catena principale dalla sua complementare. E’ quindi evidente che, per compiere un ciclo di replicazione, abbiamo bisogno di ENERGIA. L’unico modo di disporre di energia è quella di sfruttare il metabolismo (che in questo modello sembra di secondaria importanza)

Limitata concentrazione di basi azotate nel brodo primordiale, presenza di analoghi di basi azotate (isomeri) che possono interferire Problema del ribosio Problema del fosforo Problema dell’instabilità

Sostituti del ribosio TNA Sono capaci di accoppiare DNA e RNA Eschenmoser

Altri XNA

Anche legami peptidici possono rimpiazzare il ribosio (PNA achirali) e accoppiare DNA e RNA (Nielsen) RNA C A O H P - T G PNA G T A N H 2 O C

Critiche e riflessioni Il mondo a RNA dovrebbe aver interagito molto presto con aminoacidi e proteine, e forse, come PURO mondo a RNA, non è mai esistito. Se il mondo a RNA si fosse autosostenuto, sarebbe difficile spiegare perché l’evoluzione abbia introdotto solo dopo le proteine

Critiche e riflessioni Come supporto all’ipotesi ‘mondo a RNA’ c’è l’osservazione che il ribosoma batterico 50S contiene parti cataliticamente attive costituite da RNA

DNA Informazione Catalisi Proteine RNA

Peptide World Secondo questa ipotesi, le proteine avrebbero catalizzato efficientemente le reazioni metaboliche. RNA e derivati sarebbero degli ‘scarti metabolici’, divenuti in seguito importanti per la conservazione di informazioni. Per contro, a parte casi artificiali particolari, sembrerebbe che le proteine non possano replicarsi per stampo diretto, quindi necessitano di un meccanismo di replicazione. Sono stati proposti diversi meccanismi di possibile replicazione, ma non hanno avuto diretti riscontri sperimentali.

Per molti il Peptide World rappresenterebbe solo un mondo di passaggio per il successivo RNA World.

Come se non bastasse, ci sono anche i sostenitori del mondo a lipidi o Lipid World (Doron Lancet) I lipidi (fosfolipidi) costituiscono le membrane cellulari. In questo modo creano dei compartimenti. Questi compartimenti potrebbero sostenere differenti ambienti prebiotici. Si ipotizza quindi la formazione di lipidi con proprietà catalitiche

Sorprendentemente, il ‘Sacro Graal’ del metabolismo, ovvero il ciclo di Krebs, è possibile ottenerlo in condizioni prebiotiche (almeno in parte) NON utilizzando RNA o proteine ma… Minerali e luce!

Probabilmente il problema dell’evoluzione prebiotica è un cosiddetto problema di complessità irriducibile, in cui non si possono considerare separatamente i contributi delle singole parti (proteine, RNA, lipidi…).

Darwinismo molecolare Spiegelmann Darwinismo molecolare Isolamento della Qb replicasi, enzima in grado di duplicare RNA a partire dalle basi trifosfate. RNA stampo Qb Basi azotate attivate Qb Basi azotate attivate incubazione

Darwinismo molecolare Con questo sistema, aggiungendo opportuni reagenti o stimoli, è possibile selezionare e creare dell’RNA a partire da uno stampo. L’RNA prodotto dopo alcuni cicli è quello che si adatta meglio agli stimoli.

Incubando sequenzialmente l’RNA sintetizzato, a partire da RNA complessi senza stimoli aggiuntivi, dopo qualche ciclo si otteneva solo un RNA dalla lunghezza di 220 basi. Questo frammento, generato da errori casuali, era in grado di duplicarsi più velocemente degli altri.

Con molta sorpresa, ripetendo l’esperimento ma diminuendo la quantità di RNA stampo fino alla presenza dei soli monomeri, si può generare RNA ex novo. La sequenza di 220 basi è uno dei possibili risultati ma ne sono stati isolati altri variando le condizioni sperimentali. X

Sebbene questo esempio non sia applicabile alla chimica prebiotica (per l’uso di un enzima già altamente perfezionato) è il primo esempio che mostra come l’evoluzione agisca anche a livello molecolare. Attualmente, la chimica moderna sta iniziando a muovere i primi passi verso l’utilizzo di tecniche di evoluzione molecolare (soprattutto per la ricerca di nuovi farmaci).

Ringraziamenti Dott. Dichiarante Valentina Dott. Lazzaroni Simone Dott. Merli Daniele Dott. Protti Stefano