Per molti decenni biologi, chimici e persino matematici hanno lavorato al problema dell'origine della vita. E sebbene ci siano già ipotesi scientificamente fondate e supportate di evoluzione chimica prima della comparsa della prima cellula, il lavoro in questa direzione continua. "Lenta.ru" parla di un nuovo studio sul problema del mondo RNA, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Gli scienziati della Portland State University, conducendo esperimenti sui ribozimi, hanno scoperto che la capacità di queste molecole di catalizzare il proprio assemblaggio dipende dalla loro interazione con altre molecole simili. Lo studio sostiene indirettamente l'ipotesi del mondo RNA, secondo cui la prima molecola organica che divenne la base delle prime cellule era l'RNA. Queste molecole di RNA sono state in grado di auto-sintetizzarsi, competere tra loro e partecipare all'evoluzione prebiotica, quando i composti di maggior successo sono diventati la base per complessi chimici più complessi.
Molte persone sanno che le cellule viventi hanno i loro catalizzatori speciali: gli enzimi, che sono molecole proteiche piegate in modo complesso che svolgono reazioni vitali. Tuttavia, gli enzimi possono essere non solo proteine, ma anche catene di RNA. Ricordiamo che l'RNA è un acido nucleico molto simile al DNA, ma differisce da esso in quanto contiene zucchero ribosio (non desossiribosio) e una delle basi azotate, la timina, è sostituita dall'uracile. Secondo gli scienziati, l'RNA è apparso prima del DNA, perché è molto più labile (la sua struttura è più suscettibile ai cambiamenti) e può svolgere reazioni catalitiche senza l'aiuto delle proteine. Le molecole di RNA che sono enzimi sono chiamate ribozimi. Tipicamente, i ribozimi catalizzano la scissione di se stessi o di altre molecole di RNA.
Uno dei ribozimi più ben studiati è l'Azo, un enzima prodotto dagli scienziati dagli introni auto-taglianti del gruppo I che si trovano nel DNA del batterio Azoarcus. Gli introni sono regioni di geni che non contengono informazioni sulla sequenza di una proteina o di un acido nucleico e vengono asportati durante la maturazione dell'RNA messaggero (mRNA). Tutti gli introni del gruppo I catalizzano la propria escissione dalla sequenza di RNA. Il ribozima introne Azo di interesse per gli scienziati si trova in un gene che codifica per un RNA di trasporto (tRNA) che trasporta l'aminoacido isoleucina. All'interno della cellula, Azo, come altri ribozimi, esegue la propria escissione dal tRNA, ma in condizioni di laboratorio è stato in grado di imparare a eseguire lo splicing inverso: il ribozima taglia in un certo punto il substrato - una breve molecola di RNA con una specifica sequenza nucleotidica,pezzi dei quali rimangono attaccati ad Azo.
La struttura del ribozima del batterio Azoarcus. Il frammento IGS è contrassegnato in rosso
Immagine: Jessica AM Yeates et al. Dipartimento di Chimica, Portland State University
L'azo è lungo circa 200 nucleotidi e può scomporsi in due, tre o quattro frammenti che si uniscono spontaneamente a 42 gradi Celsius in presenza della soluzione di MgCl2. Il processo di autoassemblaggio inizia con l'interazione tra due triplette di nucleotidi (triplette) appartenenti a diversi frammenti di RNA. Quando i legami idrogeno si formano tra le terzine secondo il principio di complementarità, parti del ribozima cambiano la loro struttura spaziale e si riuniscono l'una con l'altra. Gli scienziati si sono concentrati sulla reazione di autoassemblaggio di due frammenti, che sono stati provvisoriamente chiamati WXY e Z, dove W, X, Y e Z rappresentano regioni separate del ribozima lunghe circa 50 nucleotidi (Fig. 1). Sul sito W, all'estremità anteriore della molecola di RNA, si trova una delle triplette,che è coinvolto nell'avvio dell'autoassemblaggio ed è chiamato "sequenza guida interna" (IGS). Alla fine di WXY, c'è una tripletta di tag che, interagendo con IGS, forma un forte legame covalente con il frammento Z.
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I ricercatori hanno creato diverse varianti (genotipi) di frammenti WXY cambiando i nucleotidi situati nel mezzo dell'IGS e delle triplette tag (nucleotidi M e N, rispettivamente). Poiché le molecole di RNA sono solitamente formate da solo quattro tipi di nucleotidi, esistono 16 varianti di questo tipo. Ad esempio, uno dei genotipi può essere 5'-GGG-WXY-CAU-3 'e l'altro 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Tutte queste varianti di molecole possono competere tra loro, formando varie reti metaboliche, in cui una risorsa comune - la molecola Z - è necessaria per ripristinare un intero ribozima.
La reazione tra diversi frammenti del ribozima azo per formare un'intera molecola
Immagine: Jessica AM Yeates et al. Dipartimento di Chimica, Portland State University.
Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno prima testato la capacità di ciascun genotipo di autoassemblarsi separatamente. Quando M e N formano coppie Watson-Crick (cioè, secondo il principio di complementarità, A - U, C - G), il tasso di autoassemblaggio del ribozima diventa più alto che per altri tipi di coppie. I ricercatori hanno quindi simulato un ambiente caldo "piccolo stagno" in cui varie molecole prebiotiche interagiscono tra loro per ottenere vantaggi l'una dall'altra e accelerare l'auto-organizzazione. I biochimici hanno seguito il comportamento dei genotipi accoppiati tra loro; in totale, gli scienziati hanno studiato 120 coppie, costituite da due varianti WXY dissimili. Hanno misurato la velocità di ciascuna reazione avvenuta tra le molecole di due genotipi WXY e i frammenti Z all'interno di provette separate per 30 minuti.
Interazione tra sequenze di diversi frammenti di ribozima utilizzando legami idrogeno
Immagine: Jessica AM Yeates et al. Dipartimento di Chimica, Portland State University
Combinando i risultati di entrambe le fasi dell'esperimento e avendo ottenuto i tassi di autoassemblaggio quando due diversi genotipi interagiscono, i ricercatori hanno avviato un esperimento evolutivo. Coppie di genotipi sono state mescolate nella stessa proporzione, fornite di frammenti Z e hanno reagito tra loro per cinque minuti. Durante questo periodo, gli scienziati hanno campionato il 10 percento della soluzione in una nuova provetta, che conteneva più WXY non reagito di ciascun genotipo e frammenti Z. Gli scienziati hanno monitorato i rapporti di ciascun genotipo WXYZ durante otto di questi trasferimenti. Ciò ha permesso di stimare l'equivalente chimico del successo evolutivo dei ribozimi nel corso delle generazioni, che è stato osservato come una "esplosione", cioè un forte aumento del tasso di autoassemblaggio dell'RNA. In un esperimento evolutivo, i biologi hanno studiato l'interazione di sette paia di ribozimi.
Sulla base di tutti gli esperimenti di laboratorio, gli scienziati hanno derivato un modello matematico di equazioni differenziali che tiene conto della velocità di autoassemblaggio dei genotipi con o senza la presenza di altri genotipi. Questo modello è diventato la base per una nuova teoria dei giochi evolutiva, che definisce diversi comportamenti delle molecole di RNA. In un caso, chiamato "Dominanza", uno dei genotipi è sempre più comune dell'altro, mentre il suo tasso di autoassemblaggio supera sempre la velocità del concorrente. Nell'altro caso - "Cooperazione" - entrambi i genotipi che interagiscono tra loro ricevono benefici dalla "cooperazione", e la velocità del loro autoassemblaggio supera quella che avrebbero separatamente l'uno dall'altro. Lo “Scenario egoista” - l'esatto opposto di “Cooperazione” - significa che ogni ribozima individualmente riceve più di quando interagisce con qualcun altro. E infinein "Contro-dominanza", il genotipo con un basso tasso di autoassemblaggio inizia improvvisamente a manifestarsi più spesso del suo concorrente.
Questo studio non ha lo scopo di dimostrare direttamente l'ipotesi del mondo dell'RNA, ma rappresenta un altro tassello del puzzle della comprensione scientifica dell'evoluzione prebiotica. È stato dimostrato per la prima volta che le proprietà enzimatiche delle singole molecole possono essere migliorate in presenza di altre molecole che differiscono solo per uno o due nucleotidi. Nella gigantesca soluzione che erano gli oceani terrestri all'alba della vita, queste molecole competevano tra loro per i substrati, cooperavano e intensificavano la loro azione. Sulla base di ciò, si può già supporre perché composti organici complessi abbiano cercato di unirsi in sistemi che sono prototipi delle prime cellule.
Alexander Enikeev
