Una cellula viene spesso descritta come una fabbrica davvero straordinaria che può funzionare autonomamente e riprodursi. La prima ha richiesto un lungo elenco di componenti, livelli di organizzazione e una grande quantità di informazioni specifiche complesse, oltre a un altro requisito per la vita: l’abbondanza di meccanismi di riparazione specifici.
La vita non può esistere senza meccanismi di riparazione cellulare
Il danno alla “fabbrica” della cellula si verifica su due livelli: danno alle informazioni archiviate (durante la replicazione o per degrado naturale nel tempo) e danno ai macchinari di produzione (sia per produzione difettosa di nuovi macchinari sia per danni subiti durante l’uso).
Ogni tipo di danno richiede meccanismi di riparazione specifici che dimostrino lungimiranza: l’aspettativa che si verifichi il danno e la capacità di riconoscere, riparare e/o riciclare solo i componenti danneggiati. Tutta la vita conosciuta richiede questi meccanismi.
Il processo iniziale di replicazione del DNA è facilitato da un enzima polimerasi che provoca circa un errore ogni 10.000-100.000 nucleotidi aggiunti. Nessuna vita conosciuta tuttavia può persistere con un tasso di errore così elevato, se non corretta.
La replicazione del DNA fondamentale per la vita
La replicazione del DNA in tutti gli esseri viventi prevede una successiva fase di correzione, un tipo di riparazione del danno, che aumenta la precisione di un fattore compreso tra 100 e 1.000.
L’attuale detentore del record per la replicazione del DNA più lenta di un organismo vivente, in condizioni normali, è il Mycoplasma mycoides dove solo un nucleotide su 33.000.000 viene copiato in modo errato.
Dopo la replicazione del DNA, durante le normali condizioni operative si verifica una raffica quotidiana di danni al DNA. La vita richiede quindi meccanismi di riparazione del DNA sofisticati e altamente specifici. Negli esseri umani, si stima che la risposta al danno del DNA coinvolga un’organizzazione gerarchica di 605 proteine in 109 complessi.
Gli sforzi compiuti per creare cellule quanto più semplici possibili eliminando tutti i geni non essenziali hanno consentito di ridurre con successo la riparazione del DNA a un insieme minimo di sei geni, ma questi sei geni sono codificati in migliaia di paia di basi di DNA e il meccanismo per trascrivere e tradurre questi geni negli enzimi di riparazione richiede un minimo di 149 geni.
Pertanto, il codice del DNA necessario per attivare i meccanismi di riparazione del DNA supera facilmente le 100.000 paia di basi. Qui ci imbattiamo in un grande paradosso, identificato per la prima volta nel 1971 da Manfred Eigen: la riparazione del DNA è essenziale per mantenere il DNA, ma i geni che codificano per la riparazione del DNA non avrebbero potuto evolversi se i meccanismi di riparazione non fossero già presenti per proteggere il DNA stesso.
Una volta si pensava che il meccanismo metabolico di una cellula producesse sempre prodotti perfetti, ma la realtà è che i prodotti difettosi sono inevitabili e portano alla produzione di rifiuti nocivi. Ogni forma di vita deve quindi disporre di strumenti in grado di identificare i problemi e riparare o riciclare i prodotti difettosi.
La macchina produttiva centrale della cellula è il ribosoma, una meraviglia che produce proteine funzionali da filamenti di mRNA (con l’aiuto di molte molecole di supporto). Sfortunatamente, circa il 2-4% dei filamenti di mRNA rimangono bloccati nel ribosoma durante la traduzione in proteina. Questo non solo arresta la produzione, ma potrebbe comportare la produzione di una proteina tossica semilavorata.
Se i mitocondri non riuscissero a “sbloccarsi”, la vita come la conosciamo finirebbe. Nel processo di autoreplicazione, una singola cellula deve produrre un’intera libreria di proteine, gravando pesantemente sui mitocondri della cellula. Ma con un tasso del 2-4% di filamenti di mRNA bloccati, la cellula media avrebbe ciascuno dei suoi mitocondri bloccati almeno cinque volte prima che la cellula possa replicarsi. Pertanto, la vita non potrebbe mai replicarsi e il metabolismo cesserebbe se questo problema non fosse risolto.
Fortunatamente, tutte le forme di vita, anche le più semplici, sono capaci di trans – traduzione, che in genere prevede un processo in tre fasi. Innanzitutto, una molecola che combina RNA di trasferimento e messaggero e due molecole helper riconosce che l’mRNA è bloccato nel ribosoma e segnala la proteina semiformata. Questo segnale, chiamata degron, è essenzialmente un peptide di polialanina.
La proteina condannata viene riconosciuta, degradata e riciclata da una delle tante proteasi. Infine, anche l’mRNA deve essere segnalato e riciclato per evitare che intasi altri ribosomi. In alcuni batteri, un enzima pirofosfoidrolasi modifica l’estremità dell’mRNA, etichettandolo per la distruzione.
Una RNAsi (un altro enzima) riconosce quindi il segnale, afferra l’mRNA e lo avvicina al suo ione magnesio, che provoca la scissione dell’RNA. Un’altra RNAsi completa quindi il lavoro, scomponendo l’mRNA in singoli nucleotidi che possono essere riutilizzati.
La necessaria presenza di strumenti in grado di distruggere proteine e RNA comporta anche il requisito che tali strumenti siano altamente selettivi. Se questi strumenti si evolvessero, ci si aspetterebbe che le versioni iniziali fossero non selettive, distruggendo qualsiasi proteina o RNA a portata di mano, estinguendo la vita e bloccando il processo di evoluzione della vita stessa.
L’insieme degli strumenti per la trans-traduzione e il riciclo delle proteine e dell’RNA sono tutti immagazzinati nel DNA, che deve essere protetto da meccanismi di riparazione. E questi strumenti non possono essere prodotti senza i mitocondri, ma i mitocondri non possono essere sbloccati senza l’azione di trans-traduzione. Ci imbattiamo quindi in un altro caso di causalità circolare.
Il normale funzionamento di enzimi o metaboliti come coenzimi o cofattori comporta reazioni chimiche che seguono percorsi specifici. Deviazioni dai percorsi desiderati possono verificarsi a causa di interferenze come radiazioni, stress ossidativo o incontro con l’enzima “promiscuo” sbagliato. Queste deviazioni danno luogo a molecole canaglia che interferiscono con il metabolismo o sono tossiche per la cellula. Di conseguenza, anche le forme di vita più semplici richiedono diversi meccanismi di riparazione metabolica.
Come esempio relativamente semplice di un meccanismo di riparazione richiesto, anche la cellula più semplice conosciuta deve affrontare una situazione difficile che coinvolge lo zolfo. Diverse reazioni metaboliche richiedono molecole con un gruppo tiolico, ovvero lo zolfo, legato all’idrogeno e ad una molecola organica.
L’organismo ha bisogno di mantenere i suoi gruppi tiolici, ma questi hanno una fastidiosa tendenza a reticolarsi (cioè due gruppi tiolici creano un legame disolfuro, fondendo insieme le due molecole).
È necessaria una manutenzione costante per interrompere questo collegamento indesiderato. Anche la cellula più semplice conosciuta richiede due proteine per ripristinare i gruppi tiolici e mantenere il metabolismo.
Poiché le proteine di riparazione sono esse stesse un prodotto del metabolismo cellulare, questo crea un altro percorso di causalità circolare: non è possibile avere un metabolismo prolungato senza meccanismi di riparazione ma non è possibile creare meccanismi di riparazione senza metabolismo.
Oltre ai meccanismi di riparazione necessari alla vita, tutte le forme di vita includono meccanismi di prevenzione dei danni. Questi meccanismi possono distruggere le molecole canaglia, stabilizzare le molecole che tendono a diventare canaglia o guidare le reazioni chimiche verso risultati meno dannosi. Ad esempio, quando il DNA viene replicato, i monomeri disponibili dei quattro nucleotidi canonici vengono incorporati nel nuovo filamento.
Alcuni dei normali metaboliti della cellula, come il dUTP (desossiuridina trifosfato), sono simili a un nucleotide canonico e possono essere erroneamente incorporati nel DNA. Anche la cellula più semplice include un enzima (desossiuridina trifosfato pirofosfatasi) per idrolizzare il dUTP e prevenire la formazione di DNA corrotto.
Conclusioni
Coloro che promuovono l’abiogenesi non guidata semplicemente ignorano tutti questi meccanismi necessari per la vita, sostenendo che la vita è iniziata come “protocellule” semplificate che non avevano bisogno di riparazioni.
Non esiste però alcuna prova che qualsiasi forma di vita possa persistere o replicarsi senza questi meccanismi di riparazione. E la presenza di meccanismi di riparazione richiama diversi esempi di causalità circolare, un vero enigma solo per i processi naturali non intelligenti.
Credere che le “protocellule” più semplici non richiedano meccanismi di riparazione richiede una fede cieca, contraria alle prove scientifiche prevalenti sul funzionamento della vita.
