Gli scienziati dell'Università di Cambridge hanno ricevuto nuove prove a favore dell'ipotesi del mondo RNA. Si è scoperto che le piccole catene di amminoacidi, se combinate con l'RNA, migliorano le loro proprietà catalitiche, consentendo loro di diventare meno dipendenti dagli ioni tossici. E questa è una condizione necessaria per la formazione delle prime cellule. "Lenta.ru" parla del lavoro pubblicato sulla rivista Nature.
Secondo l'ipotesi del mondo RNA, la vita è nata da un semplice sistema biologico in cui non c'erano DNA e molecole proteiche. Consisteva di complessi di RNA in grado non solo di immagazzinare informazioni genetiche, ma anche di catalizzare reazioni chimiche (in questo caso erano chiamati ribozimi). In altre parole, hanno combinato le funzioni del DNA e degli enzimi. Quindi la combinazione di RNA con peptidi e acido desossiribonucleico ha portato alla comparsa di organismi unicellulari. Tuttavia, sorge la domanda: qual è stato il vantaggio dell'interazione tra il mondo dell'RNA e le proteine?
Si pensa che i ribozimi, chiamati RNA polimerasi, abbiano costituito la maggior parte del mondo dell'RNA. Erano replicatori, oggetti capaci di auto-replicarsi. Le risorse per questo erano i nucleotidi nel brodo primario. All'inizio, i ribozimi hanno avuto difficoltà a copiare se stessi perché le loro capacità catalitiche non erano state sviluppate. Hanno commesso errori, che hanno portato a ribozimi con mutazioni. Questi cambiamenti potrebbero privare l'RNA polimerasi della capacità di catalizzare; tuttavia, in alcuni casi, questa qualità, al contrario, è migliorata. Nel tempo, i ribozimi si sono riprodotti più velocemente e in modo più accurato, sono diventati più numerosi e hanno vinto la competizione per le risorse.
Pertanto, i ribozimi erano i genomi primari, poiché memorizzavano informazioni genetiche sulla propria sequenza. Successivamente, sono stati incapsulati all'interno di particelle formate da membrane lipidiche, che hanno portato alla formazione della prima protocellula. Gli scienziati sono in grado di sintetizzare analoghi del ribozima della RNA polimerasi, che catalizzano la sintesi di altri ribozimi, o anche di copiare brevi sequenze di ribonucleotidi. Tuttavia, non è ancora possibile ottenere un replicatore di ribozima.
Ribosoma Thermus thermophilus
Immagine: Public Domain / Wikimedia
C'è anche un altro problema. I ribozimi sintetizzati nei laboratori sono attivi solo a concentrazioni molto elevate di ioni magnesio, che distruggono le membrane lipidiche. Ciò significa che esiste una fondamentale incompatibilità tra le RNA ribonucleiche polimerasi ei processi di formazione delle protocellule.
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La situazione è salvata dal fatto che le molecole di RNA non sono state isolate da molti altri composti chimici, come i peptidi. I ribozimi potrebbero cooperare con sequenze di amminoacidi, che hanno influenzato la loro funzione. Ciò è supportato anche dal fatto che l'attività di ribozimi come gli spliceosomi (che eliminano gli introni dall'RNA messaggero in maturazione), i ribosomi (che partecipano alla sintesi proteica) e la ribonucleasi P (catalizzazione della degradazione dell'RNA) dipende dalle proteine correlate. La ricerca ha dimostrato che alcune proteine che si legano ai ribozimi causano cambiamenti nella loro struttura e funzione secondaria. Pertanto, nel caso delle ribonucleasi P, le proteine possono ridurre la concentrazione di ioni magnesio necessari per la loro attività. Con questo in mente, gli scienziati hanno deciso di scoprire se i peptidi potrebbero influenzare la funzione dei ribozimi della RNA polimerasi in modo simile, riducendo la loro dipendenza dal magnesio.
Per rispondere a questa domanda, è necessario scegliere non alcuna proteina, ma solo quelle che una volta interagivano con i ribozimi del mondo RNA. Gli scienziati si sono rivolti alla struttura dei ribosomi, che sono una sorta di reliquia molecolare. I risultati della ricerca indicano che i ribosomi nella loro forma moderna erano già presenti in LUCA, l'antenato comune di tutte le forme di vita moderne.
La struttura delle subunità ribosomiali di Thermus thermophilus
Immagine: Philipp Holliger / Cambridge
Nella struttura del ribosoma, formato da proteine, acidi ribonucleici e ioni, si registra la sua evoluzione. Pertanto, la base della grande subunità ribosomiale è arricchita con ioni magnesio. A poco a poco, è stato ricoperto di moduli aggiuntivi in cui gli ioni sono stati sostituiti da peptidi. Secondo gli scienziati, la relazione tra ribozimi e catene di amminoacidi riflette la storia evolutiva del mondo RNA e la sua transizione al mondo RNA-peptide. Ecco perché è stato analizzato l'effetto dei peptidi dei ribosomi, che sono considerati le sequenze proteiche più antiche sulla Terra.
I ricercatori hanno identificato più peptidi da entrambe le subunità ribosomiali del batterio Thermus thermophilus, che ha potenziato l'attività del ribozima RNA polimerasi Z, che replica le molecole di RNA.
Immagine al microscopio a fluorescenza di vescicole di membrana
Immagine: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / Regno Unito
Tuttavia, l'effetto più significativo è stato posseduto dal decapeptide omopolimerico di lisina (K10), una sequenza di amminoacidi di dieci molecole di lisina. Ha supportato le funzioni del ribozima a basse concentrazioni di ioni magnesio, formando un complesso peptide-ribozima. Gli scienziati hanno suggerito che ciò sia dovuto alla stabilizzazione degli intermedi nel ciclo catalitico.
Per verificare se questo peptide potesse promuovere l'attività dei ribozimi all'interno del compartimento della membrana, i ricercatori hanno condotto un esperimento. Sono state ottenute vescicole stabili, costituite da fosfolipidi e diacilgliceroli, all'interno delle quali è stato incapsulato l'RNA. Ad una concentrazione di ioni magnesio di 10 millimoli (sicuro per la membrana) e in presenza di K10, è stata osservata la sintesi di RNA catalizzata da ribozima. In assenza di magnesio, tuttavia, la sintesi non è avvenuta.
Ciò indica che i peptidi hanno effettivamente consentito ai ribozimi di svolgere attività catalitica a basse concentrazioni di ioni tossici. Di conseguenza, la dipendenza delle RNA polimerasi dalle molecole inorganiche è diminuita, il che ha facilitato la loro evoluzione e, in ultima analisi, l'evoluzione delle cellule.
Alexander Enikeev
