Come è riuscita la vita a mettere insieme miriadi di parti? Per lo meno, le prime forme di vita sulla Terra avevano bisogno di un modo per memorizzare e riprodurre le informazioni. Solo allora possono fare copie di se stessi e diffondersi in tutto il mondo. Forse la chimica ha svolto un ruolo molto più importante nell'origine della vita di quanto si pensasse in precedenza.
Una delle ipotesi più influenti è che tutto sia iniziato con l'RNA, una molecola in grado di registrare simultaneamente i record genetici e innescare reazioni chimiche. L'ipotesi del "mondo RNA" si manifesta in molte forme, ma secondo le più tradizionali la vita è iniziata con la formazione di una molecola di RNA in grado di riprodursi. I suoi discendenti hanno sviluppato la capacità di svolgere molti compiti come creare nuovi composti e immagazzinare energia. Nel tempo è seguita una vita difficile.
Tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che l'RNA autoreplicante è sorprendentemente difficile da creare in laboratorio. Ci sono riusciti, ma le molecole candidate prodotte fino ad oggi possono riprodurre solo RNA di una certa sequenza o lunghezza. Inoltre, queste stesse molecole di RNA sono piuttosto complesse, il che solleva interrogativi su come potrebbero essersi formate per volontà di un incidente chimico.
Nick Hud, un chimico del Georgia Institute of Technology, e i suoi colleghi hanno deciso di andare oltre la biologia e studiare il possibile ruolo della chimica nell'origine della vita. Forse, prima dell'emergere della biologia, c'era una fase preliminare della proto-vita, in cui solo i processi chimici creavano un "buffet" di RNA e molecole simili a RNA. "Penso che ci siano stati alcuni passaggi che hanno portato a un sistema auto-replicante e autosufficiente", afferma Hud.
In questo scenario, varie molecole simili a RNA potrebbero formarsi spontaneamente, aiutando il brodo chimico a inventare simultaneamente molti dei dettagli necessari per lo sviluppo della vita. Forme di proto-vita sperimentarono l'ingegneria molecolare primitiva, smontandola pezzo per pezzo. L'intero sistema ha funzionato come una cotta gigante. È stato solo quando è stato stabilito un tale sistema che è emerso l'RNA autoreplicante.
Al centro della proposta di Hud c'è il mezzo chimico per creare una così ricca varietà di proto-vita. Le simulazioni al computer mostrano che determinate condizioni chimiche possono produrre una raccolta diversificata di molecole simili a RNA. Il team sta attualmente testando questa idea con molecole reali in laboratorio e spera di presentare presto i risultati.
Il gruppo di Hud sta aprendo la strada a una serie di ricercatori che sfidano l'ipotesi tradizionale del mondo dell'RNA e la sua dipendenza dall'evoluzione biologica, piuttosto che chimica. Nel modello tradizionale, è stata creata una nuova ingegneria molecolare utilizzando catalizzatori biologici - enzimi - come nel caso delle cellule moderne. Durante la fase di proto-vita di Hud, miriadi di RNA o molecole simili a RNA potrebbero essere formate e alterate usando mezzi puramente chimici. "L'evoluzione chimica avrebbe potuto aiutare a iniziare la vita senza enzimi", dice Hud.
Video promozionale:
Hud ei suoi colleghi decisero di andare oltre e presumere che il ribosoma, l'unico pezzo di ingegneria biologica presente in tutti gli esseri viventi oggi, provenisse interamente dalla sola chimica. Questo è un modo insolito di vedere le cose, poiché molti credono che il ribosoma sia nato dalla biologia.
Se il team di Hud può creare forme di proto-vita in condizioni che potrebbero essere esistite sulla Terra primordiale, si può presumere che l'evoluzione chimica possa aver giocato un ruolo molto più significativo nell'origine della vita di quanto gli scienziati si aspettassero. "L'evoluzione darwiniana potrebbe essere stata preceduta da una forma più semplice di evoluzione", afferma Niels Lehman, biochimico della Portland University in Oregon.
Mondo pre-darwiniano
Quando la maggior parte pensa all'evoluzione, viene in mente l'evoluzione darwiniana, in cui gli organismi competono tra loro per risorse limitate e trasmettono informazioni genetiche ai loro discendenti. Ogni generazione subisce correzioni genetiche e la prole di maggior successo sopravvive per trasmettere i propri geni. Questa modalità di evoluzione prevale nella vita moderna.
Karl Woese, il famoso biologo che ci ha dato il moderno albero della vita, credeva che l'era darwiniana fosse preceduta da una fase iniziale della vita, governata da forze evolutive completamente diverse. Woese credeva che sarebbe stato quasi impossibile per una singola cellula ottenere tutto ciò di cui ha bisogno per vivere. Pertanto, ha immaginato una ricca varietà di molecole coinvolte nell'esistenza comune. Invece di competere tra loro, le cellule primitive condividevano innovazioni molecolari. Questo brodo pre-darwiniano ha creato gli ingredienti necessari per una vita complessa, aprendo la strada al magnifico serraglio che vediamo oggi sulla Terra.
Il modello di Hud porta la visione temporale pre-darwiniana di Woese ancora più indietro nel tempo, fornendo alle cellule primitive i mezzi chimici per creare diversità molecolare. Una forma di proto-vita potrebbe escogitare un modo per creare i blocchi di cui ha bisogno per crearsi, un'altra potrebbe trovare un modo per ottenere energia. Questo modello differisce dall'ipotesi tradizionale del mondo RNA nella sua dipendenza dall'evoluzione chimica piuttosto che biologica.
Nel mondo dell'RNA, le prime molecole di RNA si sono riprodotte utilizzando l'enzima ribozima incorporato, che è composto da RNA. Nel mondo della proto-vita di Hud, questo compito veniva svolto esclusivamente con metodi chimici. La storia inizia con una zuppa chimica di molecole simili a RNA. La maggior parte erano brevi, poiché molto probabilmente le catene corte si sarebbero formate spontaneamente, ma potrebbero esserci anche molecole più lunghe e complesse. Il modello di Hud descrive il modo in cui le molecole possono essere riprodotte più a lungo senza l'aiuto di un enzima.
Hud crede che nel mondo prebiotico, il brodo di RNA primario abbia subito cicli regolari di riscaldamento e raffreddamento ed è diventato denso e viscoso. Il calore ha separato le coppie di RNA legate e la soluzione viscosa ha tenuto separate le molecole per un po '. Nel frattempo, piccoli segmenti di RNA, lunghi solo pochi caratteri, sono attaccati a ciascun filo lungo. Questi piccoli segmenti sono stati gradualmente cuciti insieme, formando un nuovo filamento di RNA corrispondente al lungo filamento originale. Quindi il ciclo è ricominciato.
Vie chimiche di replicazione dell'RNA
Nel corso del tempo, man mano che il brodo di una varietà di molecole simili a RNA si espandeva e cresceva, alcune di esse acquisivano funzioni semplici come il metabolismo. Allo stesso modo, reazioni chimiche pure potrebbero produrre diversità molecolare per creare una cornucopia pre-darwiniana della proto-vita di Woese.
Il gruppo di Hud è riuscito a completare le prime fasi del processo di riproduzione in laboratorio, anche se non ha ancora imparato a incollare brevi segmenti senza ricorrere a strumenti biologici. Se riescono a superare questo ostacolo, creeranno un modo universale di riprodurre l'RNA.
Tuttavia, alcuni scienziati dubitano che la riproduzione mediata chimicamente sarà abbastanza buona da riprodurre il mondo pre-darwiniano descritto da Hud. "Non so se ci credo", dice Paul Higgs, biofisico presso la McMaster University di Hamilton, Ontario, che studia le origini della vita. "Tutto deve avvenire in modo abbastanza rapido e preciso per creare coerenza". Cioè, questo processo deve produrre nuovi RNA più velocemente di quanto vengano distrutti e sufficientemente accurati da creare copie approssimative di molecole modello.
I cambiamenti chimici da soli non sono sufficienti per dare vita. Il brodo di proto-vita necessitava ancora di una sorta di selezione che assicurasse che le molecole benefiche prosperassero e si moltiplicassero. Nel loro modello, il gruppo di Hada suggerisce che i protoenzimi più semplici avrebbero potuto emergere e diffondersi, il che ha iniziato a beneficiare i loro creatori e la società in generale. Ad esempio, una molecola di RNA che ha prodotto più elementi costitutivi ha beneficiato se stessa e i suoi vicini fornendo loro ulteriori materie prime per la riproduzione. Le simulazioni al computer effettuate dal gruppo di Hud hanno dimostrato che questo tipo di molecola potrebbe benissimo mettere radici. Quello che arricchisce il brodo è utilissimo.
Radici ribosomiali
Un possibile scorcio del mondo pre-darwiniano può essere visto nel ribosoma, un antico pezzo del macchinario molecolare che è alla base del nostro codice genetico. È un enzima che traduce l'RNA, che codifica l'informazione genetica, in proteine che svolgono molte reazioni chimiche nelle nostre cellule.
Il nucleo ribosomiale è composto da RNA. Questo rende il ribosoma unico: la stragrande maggioranza degli enzimi nelle nostre cellule è costituita da proteine. Sia il nucleo ribosomiale che il codice genetico sono comuni a tutti gli esseri viventi, il che indica la loro esistenza all'inizio dell'evoluzione della vita, forse anche prima che la soglia darwiniana fosse varcata.
Hud e la sua collega Lauren Williams, anche lei della Georgia Tech, indicano il ribosoma come supporto alla loro teoria del mondo chimicamente definito. In un articolo pubblicato lo scorso anno, hanno rilasciato una dichiarazione controversa: il nucleo del ribosoma è stato creato attraverso l'evoluzione chimica. E hanno anche suggerito che fosse apparso anche prima della comparsa della prima molecola di RNA autoreplicante. Il nucleo ribosomiale potrebbe essere stato un esperimento di successo nell'evoluzione chimica, dicono. E dopo aver messo radici nel brodo pre-darwiniano, ha varcato la soglia darwiniana ed è diventato una parte importante di tutta la vita.
Il loro argomento si basa sulla relativa semplicità del nucleo ribosomiale, formalmente noto come centro della peptidil transferasi (PTC). Il compito del PTC è mettere insieme gli amminoacidi, i mattoni delle proteine. A differenza degli enzimi tradizionali, che accelerano le reazioni chimiche utilizzando "trucchi chimici intelligenti", funziona come un essiccante. Convince due amminoacidi a legarsi semplicemente rimuovendo la molecola d'acqua. "È un modo così povero per stimolare una reazione", dice Lehman. "Gli enzimi proteici di solito si basano su strategie chimiche più potenti".
Lehman osserva che la semplicità probabilmente ha preceduto il potere nelle prime fasi della vita. “Quando pensi all'origine della vita, devi prima pensare alla chimica semplice; qualsiasi processo della chimica più semplice rischia di essere antico, dice. "Penso che questo sia un argomento più convincente del fatto che lei appartiene a tutta la vita."
Nonostante forti prove, è ancora difficile immaginare come il nucleo ribosomiale possa essere stato creato a seguito dell'evoluzione chimica. Un enzima che fa più di se stesso - come un replicatore di RNA nell'ipotesi del mondo RNA - crea automaticamente un circuito chiuso, aumentando costantemente la propria produttività. Al contrario, il nucleo ribosomiale non produce più nuclei ribosomiali. Produce catene casuali di amminoacidi. Non è chiaro come questo processo dovrebbe stimolare la produzione di più ribosomi.
Hud ei suoi colleghi ipotizzano che l'RNA e le proteine si siano sviluppati in tandem e chiunque abbia capito come lavorare insieme è sopravvissuto. A questa idea manca la semplicità del mondo RNA, che postula l'esistenza di una singola molecola in grado di codificare simultaneamente informazioni e catalizzare reazioni chimiche. Ma Hud crede il contrario: è la complessità che aggiunge eleganza all'emergere della vita.
"Penso che ci sia sempre stata un'enfasi eccessiva sulla semplicità, che un polimero è meglio di due", dice. “Potrebbe essere più facile ottenere reazioni specifiche se i due polimeri lavorassero insieme. Potrebbe essere stato più facile per i polimeri lavorare insieme sin dall'inizio ".
Basato sui materiali di Quanta Magazine
