Un team di ricercatori ha individuato una serie di condizioni di reazione geologica che potrebbero aver innescato l’origine della vita sulla Terra, scoprendo un contesto evolutivo plausibile in cui gli acidi nucleici, i mattoni genetici fondamentali della vita, potrebbero essersi autoreplicati, dando potenzialmente origine alla vita sulla Terra.
Acidi nucleici: i mattoni genetici fondamentali della vita
Lo studio, pubblicato come Reviewed Preprint in eLife, è un lavoro importante con prove convincenti per dimostrare come una semplice impostazione geofisica del flusso di gas su uno stretto canale d’acqua possa creare un ambiente fisico che porta alla replicazione degli acidi nucleici. Il lavoro sarà di interesse per gli scienziati che lavorano sull’origine della vita e, più in generale, sugli acidi nucleici e sulle applicazioni diagnostiche.
L’emergere della vita sulla Terra è ancora un enigma irrisolto, ma una teoria comune è che la replicazione del materiale genetico, gli acidi nucleici DNA e RNA, sia stato un processo centrale e critico. Le molecole di RNA possono immagazzinare informazioni genetiche e catalizzare la propria replicazione attraverso la formazione di eliche a doppio filamento.
La combinazione di queste capacità consente loro di mutare, evolversi e adattarsi a diversi ambienti e, in ultima analisi, codificare i mattoni proteici della vita. Affinché ciò accada, i filamenti di RNA non devono solo replicarsi in forma a doppio filamento, ma anche separarsi di nuovo per completare il ciclo di replicazione. La separazione dei filamenti è, tuttavia, un compito difficile alle alte concentrazioni di sale e acido nucleico richieste per la replicazione.
Lo studio
“Sono stati studiati vari meccanismi per il loro potenziale di separare i filamenti di DNA all’origine della vita, ma tutti richiedono cambiamenti di temperatura che porterebbero alla degradazione degli acidi nucleici“, ha spiegato l’autore principale Philipp Schwintek, ricercatore in Biofisica dei sistemi presso la Ludwig-Maximilians-Universität München, Monaco di Baviera, Germania.
“Abbiamo studiato uno scenario geologico semplice e onnipresente in cui il movimento dell’acqua attraverso un poro di roccia veniva essiccato da un gas che filtrava attraverso la roccia per raggiungere la superficie. Un simile scenario sarebbe molto comune sulle isole vulcaniche della Terra primordiale che hanno offerto le condizioni di siccità necessarie per la sintesi dell’RNA”.
Il team ha costruito un modello di laboratorio del poro della roccia caratterizzato da un flusso d’acqua verso l’alto che evapora all’intersezione con un flusso di gas perpendicolare, che porta a un accumulo di molecole di gas disciolte in superficie. Allo stesso tempo, il flusso di gas ha indotto correnti circolari nell’acqua, costringendo le molecole a tornare nella massa.
Per capire come questo modello avrebbe influenzato gli acidi nucleici nell’ambiente, gli studiosi hanno utilizzato delle perle per monitorare la dinamica del flusso d’acqua e poi hanno tracciato il movimento di brevi frammenti di DNA etichettati con fluorescenza.
“Ci aspettavamo che l’evaporazione continua avrebbe portato a un accumulo di filamenti di DNA all’interfaccia“, ha aggiunto Schwintek: “In effetti abbiamo scoperto che l’acqua evaporava continuamente all’interfaccia, ma gli acidi nucleici nella faccia acquosa si accumulavano vicino all’interfaccia gas/acqua”. Entro cinque minuti dall’inizio dell’esperimento, si è verificato un accumulo triplo di filamenti di DNA, mentre, dopo un’ora, si sono accumulati 30 volte più filamenti di DNA all’interfaccia.
Sebbene questo indichi che l’interfaccia gas/acqua consenta una concentrazione sufficiente di acidi nucleici affinché avvenga la replicazione, è anche necessaria la separazione dei doppi filamenti di DNA. Di solito, è richiesta una variazione di temperatura, ma quando la temperatura è costante, sono necessarie variazioni nella concentrazione di sale.
“Abbiamo ipotizzato che il flusso circolare del fluido all’interfaccia fornito dal flusso di gas, insieme alla diffusione passiva, avrebbe guidato la separazione dei filamenti forzando gli acidi nucleici attraverso aree con diverse concentrazioni di sale“, ha specificato l’autore senior Dieter Braun, Professore di biofisica dei sistemi presso la Ludwig-Maximilians-Universität München.
Per testarlo, i ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato spettroscopia FRET per misurare la separazione dei filamenti di DNA: un segnale FRET elevato mostra che i filamenti di DNA sono ancora legati, mentre un segnale FRET basso indica che i filamenti sono separati. Come previsto, il segnale FRET è aumentato inizialmente vicino all’interfaccia gas-acqua, indicando la formazione di DNA a doppio filamento.
Nel corso dell’esperimento, dove c’era un flusso d’acqua verso l’alto, il segnale FRET era basso, indicando DNA a singolo filamento. Inoltre, quando hanno sovrapposto questi dati alla loro simulazione del flusso d’acqua e delle concentrazioni di sale, hanno scoperto che il vortice all’interfaccia gas-acqua ha causato cambiamenti fino a tre volte maggiori nelle concentrazioni di sale, potenzialmente in grado di guidare la separazione dei filamenti.
Sebbene gli acidi nucleici e i sali si accumulassero vicino all’interfaccia gas-acqua, nella maggior parte dell’acqua le concentrazioni di sale e acidi nucleici sono rimaste incredibilmente basse.
Questo ha spinto il team a verificare se la replicazione degli acidi nucleici potesse realmente avvenire in questo ambiente, aggiungendo acidi nucleici marcati con un colorante fluorescente e un enzima in grado di sintetizzare il DNA a doppio filamento nel modello di laboratorio del poro della roccia. A differenza delle normali reazioni di sintesi del DNA in laboratorio, la temperatura è stata mantenuta a una temperatura costante e la reazione è stata invece esposta all’afflusso combinato di acqua e gas.
Dopo due ore, il segnale fluorescente era aumentato, indicando un numero maggiore di molecole di DNA a doppio filamento replicate. Tuttavia, quando l’afflusso di gas e acqua è stato disattivato, non è stato osservato alcun aumento nei segnali di fluorescenza e quindi non è stato visto alcun aumento nel DNA a doppio filamento.
Conclusioni
“In questo lavoro, abbiamo studiato un ambiente geologico plausibile e abbondante che potrebbe innescare la replicazione della vita primitiva“, ha concluso Braun.
“Abbiamo preso in considerazione un ambiente di gas che scorre su un poro di roccia aperto pieno d’acqua, senza alcuna variazione di temperatura, e abbiamo scoperto che il flusso combinato di gas e acqua può innescare fluttuazioni di sale che supportano la replicazione del DNA. Poiché questa è una geometria molto semplice, le nostre scoperte estendono notevolmente il repertorio di potenziali ambienti che potrebbero consentire la replicazione sui pianeti primitivi“.
