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.
