- Prima parte: come creare una cellula -
- Seconda parte: una divisione nelle file degli scienziati -
- Quarta parte: l'energia dei protoni -
- Quinta parte: quindi come si crea una cellula? -
- Parte sei: La grande unificazione -
Quindi, dopo gli anni '60, gli scienziati che cercavano di capire l'origine della vita si sono divisi in tre gruppi. Alcuni di loro erano convinti che la vita fosse iniziata con la formazione di versioni primitive di cellule biologiche. Altri credevano che il sistema metabolico fosse il primo passo chiave, mentre altri ancora si concentravano sull'importanza della genetica e della replicazione. Quest'ultimo gruppo ha iniziato a capire come poteva apparire il primo replicatore, supponendo che fosse fatto da RNA.
Già negli anni '60 gli scienziati avevano motivo di credere che l'RNA fosse la fonte di tutta la vita.
In particolare, l'RNA può fare qualcosa che il DNA non può fare. È una molecola a filamento singolo, quindi a differenza del DNA rigido a doppio filamento, può piegarsi in una serie di forme diverse.
Simile all'origami, l'RNA pieghevole era generalmente simile nel comportamento alle proteine. Le proteine sono anche per lo più catene lunghe - solo di amminoacidi, non nucleotidi - e questo consente loro di creare strutture complesse.
Questa è la chiave per la capacità più sorprendente delle proteine. Alcuni di loro possono accelerare, o "catalizzare", le reazioni chimiche. Tali proteine sono note come enzimi.
Molti enzimi possono essere trovati nel tuo intestino, dove scompongono molecole complesse dal cibo in tipi semplici di zuccheri che le tue cellule possono usare. Sarebbe impossibile vivere senza enzimi.
Leslie Orgel e Frances Crick cominciavano a sospettare qualcosa. Se l'RNA può piegarsi come una proteina, forse può formare enzimi? Se questo fosse vero, l'RNA potrebbe essere una molecola vivente originale e universale, che immagazzina informazioni, come fa ora il DNA, e catalizza reazioni, come fanno alcune proteine.
È stata un'ottima idea, ma in dieci anni non ha avuto alcuna prova.
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Thomas Cech, 2007
Thomas Cech è nato e cresciuto in Iowa. Da bambino era affascinato dalle rocce e dai minerali. E già alle medie, ha guardato l'università locale e ha bussato alle porte dei geologi con la richiesta di mostrare modelli di strutture minerali.
Tuttavia, alla fine è diventato un biochimico e si è concentrato sull'RNA.
All'inizio degli anni '80, Cech e colleghi dell'Università del Colorado a Boulder hanno studiato l'organismo unicellulare Tetrahymena thermophila. Parte del suo macchinario cellulare include filamenti di RNA. Cech ha scoperto che un singolo segmento di RNA era in qualche modo separato dal resto, come se fosse stato tagliato con le forbici.
Quando gli scienziati hanno rimosso tutti gli enzimi e altre molecole che potevano agire come forbici molecolari, l'RNA ha continuato a essere secreto. Così hanno trovato il primo enzima RNA: un breve pezzo di RNA che può tagliarsi dal lungo filamento di cui fa parte.
Cech ha pubblicato i risultati del suo lavoro nel 1982. L'anno successivo, un altro gruppo di scienziati scoprì un secondo enzima RNA, "ribozyme" (abbreviazione di "acido ribonucleico" e "enzima", noto anche come enzima). La scoperta di due enzimi RNA uno dopo l'altro ha indicato che ce ne devono essere molti di più. E così l'idea di iniziare la vita con l'RNA cominciò a sembrare solida.
Tuttavia, il nome di questa idea è stato dato da Walter Gilbert dell'Università di Harvard a Cambridge, nel Massachusetts. In qualità di fisico affascinato dalla biologia molecolare, Gilbert divenne anche uno dei primi sostenitori del sequenziamento del genoma umano.
Nel 1986 Gilbert scrisse su Nature che la vita iniziò nel "mondo dell'RNA".
Il primo stadio dell'evoluzione, sosteneva Gilbert, consisteva in "molecole di RNA che svolgono l'attività catalitica necessaria per assemblare se stesse in un brodo di nucleotidi". Copiando e incollando insieme diversi bit di RNA, le molecole di RNA potrebbero creare sequenze ancora più utili. Infine, hanno trovato un modo per creare proteine ed enzimi proteici che si sono dimostrati così utili da soppiantare in gran parte le versioni di RNA e dare origine alla vita che abbiamo.
RNA World è un modo elegante per ricostruire una vita complessa da zero. Piuttosto che fare affidamento sulla formazione simultanea di dozzine di molecole biologiche dalla zuppa primordiale, una molecola "una per tutti" potrebbe fare il lavoro.
Nel 2000, l'ipotesi del mondo RNA ha ricevuto una colossale fetta di prove a sostegno.
Il ribosoma produce proteine
Thomas Steitz ha trascorso 30 anni a studiare la struttura delle molecole nelle cellule viventi. Negli anni '90 si dedica al suo compito più serio: capire la struttura del ribosoma.
C'è un ribosoma in ogni cellula vivente. Questa enorme molecola legge le istruzioni nell'RNA e dispone gli amminoacidi per produrre proteine. I ribosomi nelle tue cellule hanno costruito la maggior parte del tuo corpo.
Il ribosoma era noto per contenere RNA. Ma nel 2000, il team di Steitz ha prodotto un'immagine dettagliata della struttura del ribosoma, che ha mostrato che l'RNA era il nucleo catalitico del ribosoma.
Questo era importante perché il ribosoma è di fondamentale importanza per la vita e allo stesso tempo molto antico. Il fatto che questa macchina essenziale fosse costruita sull'RNA ha reso l'ipotesi del mondo RNA ancora più plausibile.
I sostenitori del "mondo RNA" hanno trionfato e nel 2009 Steitz ha ricevuto una parte del premio Nobel. Ma da allora, gli scienziati hanno iniziato a dubitare. Fin dall'inizio, l'idea di un "mondo RNA" ha avuto due problemi. L'RNA potrebbe davvero svolgere tutte le funzioni della vita da solo? Potrebbe essersi formato sulla Terra primordiale?
Sono passati 30 anni da quando Gilbert ha gettato le basi per il "mondo dell'RNA" e non abbiamo ancora trovato prove concrete che l'RNA possa fare tutto ciò che la teoria richiede da esso. È una piccola molecola abile, ma potrebbe non essere in grado di fare tutto.
Una cosa era chiara. Se la vita iniziava con una molecola di RNA, l'RNA doveva essere in grado di fare copie di se stesso: doveva essere auto-replicante, auto-replicante.
Ma nessuno degli RNA conosciuti può replicarsi. Così è il DNA. Hanno bisogno di un battaglione di enzimi e altre molecole per creare una copia o un pezzo di RNA o DNA.
Pertanto, alla fine degli anni '80, diversi scienziati iniziarono una ricerca molto donchisciottesca. Hanno deciso di creare da soli un RNA autoreplicante.
Jack Shostak
Jack Shostak della Harvard School of Medicine è stato uno dei primi a partecipare. Da bambino, era così affascinato dalla chimica che ha avviato un laboratorio nel seminterrato di casa sua. Trascurando la propria sicurezza, una volta ha persino fatto esplodere, dopo di che un tubo di vetro è rimasto bloccato nel soffitto.
All'inizio degli anni '80, Shostak ha contribuito a mostrare come i geni si proteggono dal processo di invecchiamento. Questo studio piuttosto precoce alla fine gli valse un pezzo del Premio Nobel. Tuttavia, molto presto ha ammirato gli enzimi RNA di Cech. "Ho pensato che questo lavoro fosse fantastico", dice. "In linea di principio, è del tutto possibile che l'RNA catalizzi la propria riproduzione".
Nel 1988, Cech ha scoperto un enzima RNA in grado di costruire una molecola di RNA corta lunga 10 nucleotidi. Shostak ha deciso di migliorare la scoperta producendo nuovi enzimi RNA in laboratorio. Il suo team ha creato una serie di sequenze casuali e testato per vedere se qualcuno di loro aveva capacità catalitiche. Quindi hanno preso quelle sequenze, le hanno rielaborate e le hanno testate di nuovo.
Dopo 10 cicli di tali azioni, Shostak ha prodotto un enzima RNA che ha accelerato la reazione di sette milioni di volte. Ha dimostrato che gli enzimi RNA possono essere davvero potenti. Ma il loro enzima non poteva copiare se stesso, nemmeno leggermente. Shostak era in un vicolo cieco.
Forse la vita non è iniziata con l'RNA
Il prossimo grande passo è stato compiuto nel 2001 dall'ex studente di Shostak David Bartel del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. Bartel ha creato l'enzima R18 RNA che potrebbe aggiungere nuovi nucleotidi al filamento di RNA sulla base di un modello esistente. In altre parole, non stava aggiungendo nucleotidi casuali: stava copiando la sequenza correttamente.
Anche se non era ancora un autoreplicatore, ma già qualcosa di simile. R18 consisteva in una catena di 189 nucleotidi e poteva aggiungere in modo affidabile 11 nucleotidi alla catena: il 6% della sua stessa lunghezza. Si sperava che alcune modifiche gli avrebbero permesso di costruire una catena di 189 nucleotidi, proprio come lui.
La cosa migliore è stata fatta da Philip Holliger nel 2011 del Molecular Biology Laboratory di Cambridge. Il suo team ha creato un R18 modificato chiamato tC19Z che ha copiato sequenze fino a 95 nucleotidi di lunghezza. È il 48% della sua lunghezza: più dell'R18, ma lontano dal 100%.
Un approccio alternativo è stato proposto da Gerald Joyce e Tracy Lincoln dello Scripps Institute di La Jolla, in California. Nel 2009, hanno creato un enzima RNA che si replica indirettamente. Il loro enzima combina due brevi pezzi di RNA per creare un secondo enzima. Quindi combina gli altri due pezzi di RNA per ricreare l'enzima originale.
Data la disponibilità di materie prime, questo semplice ciclo può essere continuato indefinitamente. Ma gli enzimi funzionavano solo quando ricevevano i filamenti di RNA corretti, cosa che Joyce e Lincoln dovevano fare.
Per molti scienziati scettici sul "mondo dell'RNA", la mancanza di RNA autoreplicante è un problema fatale con questa ipotesi. L'RNA, a quanto pare, semplicemente non può prendere e iniziare la vita.
Il problema è stato anche aggravato dall'incapacità dei chimici di creare RNA da zero. Sembrerebbe una molecola semplice rispetto al DNA, ma è estremamente difficile realizzarla.
Il problema sta nello zucchero e nella base che compongono ogni nucleotide. Puoi fare ciascuno di essi separatamente, ma si rifiutano ostinatamente di essere coinvolti. All'inizio degli anni '90 questo problema era diventato evidente. Molti biologi hanno sospettato che l'ipotesi del "mondo RNA", nonostante tutta la sua attrattiva, potrebbe non essere del tutto corretta.
Invece, potrebbe esserci stato qualche altro tipo di molecola sulla Terra primordiale: qualcosa di più semplice dell'RNA, che potrebbe effettivamente riprendersi dalla zuppa primordiale e iniziare a riprodursi. Prima potrebbe esserci questa molecola, che poi ha portato a RNA, DNA e così via.
Difficilmente il DNA potrebbe essersi formato sulla Terra primordiale
Nel 1991, Peter Nielsen dell'Università di Copenaghen in Danimarca ha presentato un candidato per replicatori primari.
Era essenzialmente una versione pesantemente modificata del DNA. Nielsen ha mantenuto le stesse basi - A, T, C e G - che si trovano nel DNA - ma ha creato la spina dorsale da molecole chiamate poliammidi, piuttosto che da zuccheri, che sono anche nel DNA. Ha chiamato la nuova molecola poliammide acido nucleico, o PNA. In un modo incomprensibile, da allora è diventato noto come acido nucleico peptidico.
La PNA non è mai stata trovata in natura. Ma si comporta quasi come il DNA. Il filamento PNA può persino sostituire uno dei filamenti della molecola di DNA e le basi sono accoppiate come al solito. Inoltre, il PNA può trasformarsi in una doppia elica, come il DNA.
Stanley Miller era incuriosito. Profondamente scettico sul mondo dell'RNA, sospettava che il PNA fosse un candidato molto più probabile per il primo materiale genetico.
Nel 2000, ha prodotto alcune prove concrete. A quel punto, aveva già 70 anni e aveva subito diversi ictus che avrebbero potuto mandarlo in una casa di cura, ma non si è arreso. Ha ripetuto il suo classico esperimento, di cui abbiamo discusso nel primo capitolo, questa volta usando metano, azoto, ammoniaca e acqua - e ha ottenuto un PNA a base di poliammide.
Ciò ha suggerito che il PNA, a differenza dell'RNA, potrebbe essersi formato sulla Terra primordiale.
Treose molecola di acido nucleico
Altri chimici hanno escogitato i propri acidi nucleici alternativi.
Nel 2000, Albert Eschenmoser ha prodotto treose di acido nucleico (TNK). È lo stesso DNA, ma con uno zucchero diverso alla base. Le catene TNC possono formare una doppia elica e le informazioni vengono copiate in entrambe le direzioni tra RNA e TNK.
Inoltre, le TNC possono piegarsi in forme complesse e persino legarsi alle proteine. Questo suggerisce che TNK può agire come un enzima, come l'RNA.
Nel 2005, Eric Megges ha prodotto un acido nucleico glicolico che può formare strutture elicoidali.
Ciascuno di questi acidi nucleici alternativi ha i suoi proponenti. Ma non se ne trovano traccia in natura, quindi se la prima vita li usava davvero, a un certo punto doveva abbandonarli completamente a favore dell'RNA e del DNA. Questo può essere vero, ma non ci sono prove.
Di conseguenza, a metà degli anni 2000, i sostenitori del mondo dell'RNA si sono trovati in imbarazzo.
Da un lato, gli enzimi RNA esistevano e includevano una delle parti più importanti dell'ingegneria biologica, il ribosoma. Buona.
Ma l'RNA autoreplicante non è stato trovato e nessuno poteva capire come si fosse formato l'RNA nella zuppa primordiale. Gli acidi nucleici alternativi potrebbero risolvere quest'ultimo problema, ma non ci sono prove che esistessero in natura. Non molto bene.
L'ovvia conclusione è stata che il "mondo RNA", nonostante la sua attrattiva, si è rivelato un mito.
Nel frattempo, una teoria diversa ha gradualmente acquisito slancio dagli anni '80. I suoi sostenitori sostengono che la vita non è iniziata con RNA, DNA o altro materiale genetico. Invece, è iniziato con un meccanismo per sfruttare l'energia.
La vita ha bisogno di energia per rimanere in vita
ILYA KHEL
- Parte prima: come creare una cellula -
- Parte seconda: una divisione nelle file degli scienziati -
- Parte quattro: l'energia dei protoni -
- Parte quinta: quindi come si crea una cellula? -
- Parte sei: La grande unificazione -
