La vita codifica le informazioni nel DNA e nell’RNA, che sono molecole complesse finemente sintonizzate sulle loro funzioni. Ma esistono altri modi per archiviare informazioni molecolari ereditarie?

Alcuni scienziati credono che la vita che conosciamo non avrebbe potuto esistere prima che esistessero gli acidi nucleici, quindi capire come si sono formati sulla Terra primordiale è un obiettivo fondamentale della ricerca. Il ruolo centrale che rivestono gli acidi nucleici nel flusso di informazioni biologiche li rende anche obiettivi chiave per la ricerca farmaceutica e le molecole sintetiche che imitano gli acidi nucleici costituiscono la base di molti trattamenti per le malattie virali, incluso l’HIV.

Altri polimeri simili agli acidi nucleici sono noti, ma molto rimane sconosciuto riguardo alle possibili alternative per la conservazione delle informazioni ereditarie.

Utilizzando sofisticati metodi computazionali, gli scienziati del Earth-Life Science Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology, il German Aerospace Center (DLR) e la Emory University hanno esplorato il “quartiere chimico” degli analoghi dell’acido nucleico.

Sorprendentemente, hanno trovato ben oltre un milione di varianti, suggerendo un vasto universo inesplorato di chimica rilevante per la farmacologia, la biochimica e gli sforzi per comprendere le origini della vita. Le molecole rivelate da questo studio potrebbero essere adattate per creare centinaia di milioni di potenziali farmaci.

Gli acidi nucleici sono stati identificati nel 19^° secolo, ma la loro composizione, ruolo biologico e funzione non sono stati compresi dagli scienziati fino al 20^° secolo. La scoperta della struttura a doppia elica del DNA nel 1953 rivelò una semplice spiegazione del funzionamento della biologia e dell’evoluzione.

Tutti gli esseri viventi sulla Terra conservano informazioni nel DNA, che consiste di due filamenti di polimeri avvolti l’uno attorno all’altro come un caduceo, con ogni filo che è il complemento dell’altro. Quando i fili vengono separati, la copia del complemento su uno dei modelli genera due copie dell’originale. Il polimero del DNA stesso è composto da una sequenza di “lettere“, le basi adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T), e gli organismi viventi hanno sviluppato modi per assicurarsi durante la copia del DNA che venga riprodotta quasi sempre la sequenza appropriata di lettere. La sequenza di basi viene copiata nell’RNA dalle proteine, che viene quindi tradotta in una sequenza proteica.

Occasionalmente, si verificano piccoli errori durante la copia del DNA e altri vengono talvolta introdotti da mutageni ambientali. Questi piccoli errori costituiscono la base per la selezione naturale: alcuni di questi errori danno luogo a sequenze che producono organismi più adatti, sebbene la maggior parte abbia scarso effetto e molti addirittura si dimostrano letali.

La capacità di nuove sequenze di consentire ai loro ospiti di sopravvivere meglio è il “cricchetto” che consente alla biologia di adattarsi quasi magicamente alle sfide proposte dai continui cambiamenti ambientali.

Questo è il motivo alla base del caleidoscopio delle forme biologiche che vediamo intorno a noi, dai batteri alle tigri, le informazioni memorizzate negli acidi nucleici consentono la “memoria” in biologia.

Ma il DNA e l’RNA sono l’unico modo per conservare queste informazioni? O sono forse solo il modo migliore, scoperto solo dopo milioni di anni di rimaneggiamenti evolutivi?

“Esistono due tipi di acidi nucleici in biologia e forse 20 o 30 analoghi dell’acido nucleico che si legano efficacemente. Volevamo capire se ce n’è ancora uno da trovare o addirittura un milione in più. La risposta è che sembrano essercene molti, molti più di quanto ci aspettassimo ”, afferma il professor Jim Cleaves dell’ELSI.

Sebbene i biologi non li considerino organismi, anche i virus usano gli acidi nucleici, in particolare l’RNA, per conservare le loro informazioni ereditarie, sebbene alcuni virus utilizzino una variante del DNA. L’RNA differisce dal DNA per una singola base, ma l’RNA agisce secondo regole molecolari molto simili a quelle del DNA. La cosa notevole è che, tra l’incredibile varietà di organismi sulla Terra, queste due molecole sono essenzialmente le uniche che la biologia utilizza.

Biologi e chimici si sono chiesti da tempo perché sia così. Sono queste le uniche molecole che potrebbero svolgere questa funzione? E, se no, sono le migliori, cioè esistono altre molecole potrebbero svolgere questo ruolo ma la biologia le ha provate ed escluse durante l’evoluzione?

L’importanza centrale degli acidi nucleici in biologia li ha anche resi a lungo bersaglio di farmaci per i chimici. Se un farmaco può inibire la capacità di un organismo o di un virus di trasmettere la capacità di essere infettivi alla propria prole, può ucciderli efficacemente. Eliminare l’eredità di un organismo o di un virus è un ottimo modo per ucciderlo.

Gli organismi con grandi genomi, come gli esseri umani, devono essere molto precisi nel copiare le loro informazioni ereditarie e quindi i meccanismi evolutivi li hanno resi molto selettivi nel non usare precursori errati nel copiare i loro acidi nucleici.

Al contrario, i virus, che in genere hanno genomi molto più piccoli, sono molto più tolleranti nell’utilizzare molecole simili, ma leggermente diverse, per riprodursi. Ciò significa che sostanze chimiche che sono simili ai mattoni degli acidi nucleici, noti come nucleotidi, a volte possono compromettere la biochimica di un organismo più di altri.

La maggior parte dei farmaci antivirali utilizzati oggi sono analoghi nucleotidici (o nucleosidici, che sono molecole che differiscono per la rimozione di un gruppo fosfato), compresi quelli usati per trattare l’HIV, l’herpes e l’epatite virale. Anche molti importanti farmaci antitumorali sono anche analoghi nucleotidici o nucleosidici,

“Cercare di comprendere la natura dell’ereditarietà e in che altro modo potrebbe funzionare, è solo la ricerca più semplice che si possa fare, ma ha anche alcune applicazioni pratiche davvero importanti“, afferma il co-autore Chris Butch, ex ELSI e ora professore all’università di Nanchino.

Poiché la maggior parte degli scienziati crede che la base della biologia sia l’informazione ereditaria, senza la quale la selezione naturale sarebbe impossibile, gli scienziati evoluzionisti che studiano le origini della vita si sono concentrati sui modi di produrre DNA o RNA da semplici sostanze chimiche che avrebbero potuto essersi prodotte spontaneamente sulla Terra primitiva.

La maggior parte degli scienziati pensa che l’RNA si sia evoluto prima del DNA, e per sottili ragioni chimiche che rendono il DNA molto più stabile dell’RNA, il DNA divenne il disco rigido della vita.

Il co-autore Dr. Jay Goodwin, un chimico della Emory University, afferma che “È davvero emozionante considerare il potenziale di sistemi genetici alternativi, basati su questi nucleosidi analoghi – che questi potrebbero essere emersi e si sono evoluti in ambienti diversi, forse anche su altri pianeti o lune all’interno del nostro sistema solare. Questi sistemi genetici alternativi potrebbero espandere la nostra concezione del “dogma centrale” della biologia in nuove direzioni evolutive, in risposta ad ambienti sempre più difficili qui sulla Terra“.

Esaminare tutte queste domande di base è difficile. D’altra parte, calcolare le molecole prima di produrle potrebbe potenzialmente far risparmiare molto tempo ai chimici. “Siamo rimasti sorpresi dal risultato di questo calcolo“, afferma il co-autore Dr. Markus Meringer, “sarebbe stato molto difficile stimare a priori che esistono più di un milione di acidi nucleici. Ora lo sappiamo e possiamo iniziare a esaminare alcuni di questi in laboratorio“.

“È assolutamente affascinante pensare che usando le moderne tecniche computazionali potremmo imbatterci in nuovi farmaci quando cerchiamo molecole alternative al DNA e all’RNA in grado di immagazzinare informazioni ereditarie. Sono studi interdisciplinari come questo che rendono la scienza stimolante e divertente ma di grande impatto“, afferma il co-autore Dr. Pieter Burger, anch’esso della Emory University.

Riferimento: “One Among Millions: The Chemical Space of Nucleic-Like Acid-Molecules” di Henderson James Cleaves II, Christopher Butch, Pieter Buys Burger, Jay Goodwin e Markus Meringer, 9 settembre 2019, Journal of Chemical Information and Modeling.

Non è un’illusione ottica, la forma fuori fuoco composta da una serie di strisce che si incrociano è una vera e propria rivelazione che ci ha aperto molte porte. Oggi la nostra vita è influenzata tra le altre cose dalla genetica e la foto è stata utile per stabilire per la prima volta la struttura del Dna. Solo una foto diranno alcuni, ma quella foto è una delle più importanti mai scattate nel corso della storia.

La “Foto 51”, chiamata così perché era la cinquantunesima che i suoi autori avevano ottenuto, è un’immagine di diffrazione a raggi X di un filamento della proteina genica da cui dipende la trasmissione delle informazioni che controllano lo sviluppo di ogni organismo, il Dna.

A catturare l’immagine fu Raymond Gosling, uno studente, ma il merito va alla scienziata con cui lavorava, Rosalind Franklin, una biochimica inglese esperta in cristallografia e di indagini a raggi x su varie sostanze, cui, tra l’altro, è stato intitolato il rover dell’ESA che il prossimo anno sarà lanciato su Marte.

Dobbiamo molto a quella foto sfocata, grazie a essa si è capito che il Dna è composto da due molecole intrecciate tra loro a formare una doppia elica.

Rosalind Franklin, però, non è entrata nella storia.

Al suo posto ci sono invece James Watson, americano, e Francis Crick inglese ma emigrato in America, due biologi molecolari.

Watson e Crick, in compagnia di Maurice  Wilkins, vinceranno il Premio Nobel per la medicina nel 1962, per le scoperte sulla struttura molecolare degli acidi nucleici e il loro significato nel meccanismo di trasferimento dell’informazione genica negli organismi viventi.

Wilkins era un collega della Franklin al Dipartimento di fisica e biofisica del King’s College di Londra e i loro rapporti furono da subito tesi.

La Franklin, fu donna precisa, determinata, innamorata della scienza mentre Wilkins era un uomo, ed era il suo superiore, ed era il 1951. In quegli anni neppure le scienziate più brave potevano credere di essere pari ai maschi. E atteggiamenti paternalistici e maschilisti erano possibili. Il direttore del dipartimento, vista la situazione, decise di assegnare ai due due compiti diversi: la Franklin, viste le sue competenze avrebbe studiato la forma A (cristallina) del Dna, Wilkins quella B (paracristallina).

Erano gli anni in cui molti scienziati avevano come obbiettivo la comprensione del funzionamento del nostro materiale genetico. Già allora veniva utilizzato il termine “geni” per indicare l’unità fondamentale che codifica le informazioni trasmesse di generazione in generazione.

Nel 1943 Oswald Avery aveva dimostrato che il Dna portava informazioni genetiche, ma nessuno sapeva come. Si ipotizzava che non fossero gli acidi nucleici, come è il Dna, a svolgere il ruolo principale. Si credeva che il passaggio dipendesse invece da altre proteine. Tra gli scienziati che stavano lavorando su questi aspetti c’era anche Linus Pauling, famoso chimico americano, vincitore di due premi Nobel.

Nel 1952 venne invitato alla Royal Society londinese, avrebbe dovuto incontrare sia la Franklin, che aveva appena fatto la foto 51, che Wilkins. Ma Pauling era un militante contrario alla guerra e alle armi nucleari. Il Maccartismo era arrivato e il passaporto gli venne negato. Pauling aveva già capito che probabilmente il Dna era a forma di doppia elica e che i gruppi fosfati si trovano all’interno, mentre la basi erano poste all’esterno.

All’epoca però non esisteva modo di scoprirlo, non vi erano evidenze come la foto 51 e aveva immaginato l’elica composta da tre stringhe.

Watson e Crick si incontrarono al laboratorio Cavendish di Cambridge nel 1951 e decisero di collaborare sulle indagini del Dna proprio in quell’anno. Non erano chimici quindi non sperimentavano ma realizzavano modelli 3D in cartone, asticelle e palline.

Watson, ancora in vita e ormai novantenne, in gennaio ha perso i titoli onorifici per alcune disgustose frasi razziste in cui ha sostenuto che esisterebbero prove scientifiche della differenza intellettiva e cognitiva tra bianchi e neri.

All’epoca, invece, decise di recarsi al King’s college per capire se gli inglesi, che erano decisamente più bravi nella sperimentazione, avessero ottenuto qualche risultato interessante. Parlò con la Franklin che gli fece notare un errore nel modello. In seguito stabilì uno stretto legame con Wilkins.

Nel maggio del 1952 la Franklin ottenne la foto senza renderla pubblica. I rapporti nel laboratorio erano tesi, era nata una vera e propria gara alla scoperta del Dna che ingolosiva troppe persone, tenne per sè la foto 51.

Aveva fatto una scoperta decisiva, il Dna era composto da una doppia elica e forse poteva essere lei, per prima, a pubblicare la struttura più attesa. Aspettò.

Wilkins però sapeva dell’esistenza della foto e di nascosto se la fece passare proprio da Gosling. La girò poi al giovane Watson, che sapeva benissimo dove voleva arrivare.

Pauling aveva sbagliato: le catene erano due non tre. La foto 51 lo mostrava in maniera inequivocabile. Grazie alle informazioni raccolte da altri scienziati il quadro divenne più chiaro e tutti i pezzi trovarono la loro giusta collocazione le posizioni delle basi (A, adenina, T, timina, C, citosina, G guanina) gli zuccheri, i gruppi fosfati.

Nel 1953 su Nature viene pubblicata la scoperta più importante di tutti i rempi: la struttura del Dna. L’articolo venne firmato da Watson, Crick e Wilkins. La Franklin non venne menzionata, nemmeno un grazie.

Ma era una giovane scienziata e non aveva tempo da perdere. Lasciò l’ambiente ostile del King’s college per dedicarsi ad altre ricerche, su altre molecole, viaggiò e venne chiamata da molti istituti in tutto il mondo.  Continuò a pubblicare fino a quando il cancro, dovuto all’eccessiva esposizione ai raggi x, non le strappò la vita a soli 38 anni.