Una nuova visione dell’origine della vita sulla Terra

I chimici della Scripps Research hanno fatto una scoperta che supporta una nuova e sorprendente visione di come la vita abbia avuto origine sul nostro pianeta

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In uno studio pubblicato sulla rivista di chimica Angewandte Chemie , hanno dimostrato che un semplice composto chiamato diamidofosfato (DAP), che era plausibilmente presente sulla Terra prima che sorgesse la vita, avrebbe potuto intrecciare chimicamente minuscoli blocchi di DNA chiamati deossinucleosidi in filamenti di DNA primordiale.
La scoperta è l’ultima di una serie, susseguitesi negli ultimi anni, che indicano la possibilità che il DNA e il suo cugino chimico RNA siano sorti insieme come prodotti di reazioni chimiche simili e che le prime molecole auto-replicanti – la prima vita forme sulla Terra – erano miscele dei due.
La scoperta può anche portare a nuove applicazioni pratiche in chimica e biologia, ma il suo significato principale è che affronta l’annosa questione di come è nata la vita sulla Terra. In particolare, apre la strada a studi più approfonditi su come le miscele di DNA-RNA autoreplicanti potrebbero essersi evolute e diffuse sulla Terra primordiale e alla fine hanno seminato la biologia degli organismi moderni.
Questa scoperta è un passo importante verso lo sviluppo di un modello chimico dettagliato di come le prime forme di vita hanno avuto origine sulla Terra“, afferma l’autore senior dello studio Ramanarayanan Krishnamurthy, PhD, professore associato di chimica presso Scripps Research.
La scoperta spinge anche il campo della chimica dell’origine della vita lontano dall’ipotesi che lo ha dominato negli ultimi decenni: l’ipotesi “RNA World” postula che i primi replicatori fossero basati sull’RNA e che il DNA sia sorto solo più tardi come prodotto delle forme di vita dell’RNA.

L’RNA è troppo appiccicoso?

Krishnamurthy e altri non credono all’ipotesi RNA World in parte perché le molecole di RNA potrebbero essere state semplicemente troppo “appiccicose” per servire come primi autoriproduttori.
Un filamento di RNA può attrarre altri singoli blocchi costitutivi di RNA, che aderiscono ad esso per formare una sorta di filamento in cui ciascun elemento costitutivo del nuovo filamento si lega al proprio componente costitutivo complementare sul filamento “modello” originale. Se il nuovo filamento può staccarsi dal filamento modello e, con lo stesso processo, iniziare a modellare altri nuovi filamenti, allora ha raggiunto l’impresa di auto-replicazione che è alla base della vita.
Ma mentre i filamenti di RNA possono essere bravi a modellare filamenti complementari, non sono così bravi a separarsi da questi filamenti. Gli organismi moderni producono enzimi che possono costringere i filamenti gemellati di RNA – o DNA – a seguire strade separate, consentendo così la replicazione, ma non è chiaro come ciò avrebbe potuto essere fatto in un mondo in cui gli enzimi non esistevano ancora.

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Una soluzione alternativa chimerica

Krishnamurthy e colleghi hanno dimostrato in studi recenti che filamenti molecolari “chimerici” che sono in parte DNA e in parte RNA potrebbero essere stati in grado di aggirare questo problema, perché possono modellare filamenti complementari in un modo meno appiccicoso che consente loro di separarsi in modo relativamente facile.
I chimici hanno anche dimostrato negli ultimi anni in articoli ampiamente citati che i semplici blocchi costitutivi del ribonucleoside e del deossinucleoside, rispettivamente dell’RNA e del DNA, potrebbero essere sorti in condizioni chimiche molto simili sulla Terra primordiale.
Inoltre, nel 2017 è stato riferito che il composto organico DAP avrebbe potuto svolgere il ruolo cruciale di modificare i ribonucleosidi e di metterli insieme nei primi filamenti di RNA. Il nuovo studio mostra che DAP in condizioni simili avrebbe potuto fare lo stesso per il DNA.
Abbiamo scoperto, con nostra sorpresa, che l’uso di DAP per reagire con i deossinucleosidi funziona meglio quando i deossinucleosidi non sono tutti uguali ma sono invece miscele di diverse ‘lettere’ di DNA come A e T, o G e C, come il DNA reale“, sostiene il primo autore Eddy Jiménez, PhD, un ricercatore post-dottorato associato nel laboratorio di Krishnamurthy.
Ora che comprendiamo meglio come una chimica primordiale avrebbe potuto creare i primi RNA e DNA, possiamo iniziare a usarlo su miscele di blocchi costitutivi di ribonucleoside e deossinucleoside per vedere quali molecole chimeriche si formano e se possono auto-replicarsi ed evolversi“, ha dichiarato Krishnamurthy.
Questo lavoro può anche avere ampie applicazioni pratiche. La sintesi artificiale di DNA e RNA – per esempio nella tecnica “PCR” che sta alla base dei test COVID-19 – rappresenta un vasto business globale, ma dipende da enzimi che sono relativamente fragili e quindi hanno molti limiti. Nuovi metodi chimici più robusti e privi di enzimi per produrre DNA e RNA potrebbero risultare più attraenti in molti contesti, afferma Krishnamurthy.
Riferimento: “Prebiotic Phosphorylation and Concomitant Oligomerization of Deoxynucleosides to form DNA” di Eddy Jiménez, Clémentine Gibard e Ramanarayanan Krishnamurthy, 15 dicembre 2020, Angewandte Chemie.
DOI: 10.1002 / anie.202015910