THE “RNA WORLD” IN 2020

 Post n. 38 (English)

Hence, for the peculiarity of their atomic structures, the biogenicelements are the only ones, which through their compounds are adapted to carry out, in living organisms, the numerous biological functions. We know that between these compounds the most important are the nucleic acids, DNA and RNA, and the proteins. Nucleic acids and proteins are interdependent, in the sense that nucleic acids contain instructions for the assembly of proteins but it is the proteins that operate the synthesis of nucleic acids.

Oparin-Haldane's theory postulated that life originated in a primordial soup. However, it is extremely unlikely that these macromolecules originated simultaneously, independently and that by meeting randomly they began to interact. The problem then arises: did proteins (metabolism) or nucleic acids (the genetic apparatus) arise first? The experiments conducted by Miller and other researchers in the `50 and` 60 have shown that the amino acids, constituting proteins, are easy to synthesize in a prebiotic environment, while the constituents of nucleic acids, i.e. sugars and nucleobases, are very difficult to synthesize. So it was logical to think that proteins first appeared. When the failure of protein synthesis in the prebiotic broth became evident in the late 1960s, researchers began looking with interest at nucleic acids.

Between the two nucleic acids the RNA has given origin to the theory of the “RNA World”; it was preferred because it is less complex, it participates in the assembly of proteins and in some viruses it replaces DNA as genetic material. The "RNA World" theory postulates that life originated through the appearance of self-replicating RNA molecules.

But, were the constituents of RNA present in the prebiotic era?

The RNA is a large molecule whose   unities constitutive are four nucleotides.

These are the fundamental walls of RNA and they are constituted by a phosphate group, by D-Ribose (a pentose sugar) and one of the four nucleobases, Adenine, Guanine, Uracil, Cytosine.

Certainly for the formation of self-replicating RNA molecules it is necessary first of all the presence, in prebiotic times, of all the constituents listed above and, secondly, understanding how they linked to form RNA.

The phosphate group which, even if in small quantities, is diffused on the whole surface of the planet, and there is no reason to believe that it was not present even in the prebiotic era.

   In reference to ribose, Ponnamperuma in "Origin of life", 1984 states:     

 

  «In contrast with the progress obtained in the field of primordial chemistry of the amino acids, the origin of another group of substances just as important biologically the monosaccharides (sugars), is even now fairly uncertain. Already in 1861 A. Butelow had shown that formaldehyde dissolved in water goes towards a process of condensation in an alkaline ambiance, giving place to a mixture of sugars. […]. There are for this reason various difficulties in accepting the hypothesis that formaldehyde could have been used as a precursor of the monosaccharides. Horowitz and Miller have made it clear that the high concentrations of formaldehyde used in some experiments do not reproduce in a realistic way the conditions of the primitive Earth. Objections have also been made to the use of very basic solutions. P. H. Abelson sustains that the concentration of ammonia free in the seas and in the atmosphere was not ever so elevated, and that a strong alkaline ocean never existed. Furthermore, formaldehyde polymerizes fairly rapidly giving paraformaldehyde, and so can go a certain distance from the ambiance […]

In 1994 in Le scienze, "The origin of life on earth", referring to ribose L. Orgelwrites: "It is also possible that some non-enzymatic reactions capable of leading to the synthesis of pure ribonucleotides have not yet been identified". He mentions Albert Eschenmoser who managed to limit the number of different sugars produced in the synthesis of ribose from formaldehyde in the presence of borates and under particular conditions, he also obtained a phosphorylated ribose derivative.

In 2004, in Prebiotic Chemistry and the Origin of the RNA World, Orgel resumed the well-known Butlerow reaction of 150 years ago. He writes that if this reaction could be directed towards the synthesis of ribose it would be ideal for the synthesis of the sugar component of the nucleotides. Cites Zubey (1998, 2001) who repeated the reaction in the presence of lead. It also highlights how calcium borate stabilizes pentoses (Ricardo et al., 2004). He admits that all these reactions take place at too high pH and with high concentrations of reagents. Finally he concludes that some progress has been made, but that there are still a number of obstacles to the synthesis of significant and pure quantities of ribose.

And with reference to the nucleobases in the same essay C. Ponnamperuma adds:

 

   

 

«The purines were synthesized  for the first time in conditions which simulated those of the primitive earth by Orò(v. Studies in …1963), who demonstrated that one could obtain the synthesis of Adenine by a concentrated solution of ammonium cyanide. In its broad lines the reaction can be represented as 5 molecules of hydrogencyanide that in the presence of ammonia give place to Adenine. This synthesis has be confirmed by Lowe […]. Afterwards, Orò succeeded in synthesizing Guanine and Xanthine by bringing to a temperature of 100-140°C a solution with water of amminoimidazolcarbossiammide. The rendering was of 1,5% for both the purines. It is possible that this was one of the ways in which the synthesis of purines on the primitive Earth took place, but the concentrations used by Orò were very much too high to correspond to a prebiotic situation. If the experimental concentrations had been really like those prebiotic, if for example lower concentrations had been used, then these reactions would be a great help to the understanding of the origin of the purines in the condition present in the prebiotic phase of the Earth. In spite of the efforts made, it was not possible to identify with certainty purines and pyrimidines among the final products in experiments that used electric charge. As a great quantity of hydrocyanic acid is formed, it is difficult to understand how the purines could be absent. Very little has been done in the region of the synthesis of the pyrimidines. Fox and Harada (v., 1961) have demonstrated that Uracil can be obtained by the heating of malic acid and urea. Whereas urea is easily formed in the experiments, which simulate the primitive Earth, there does not exist any indication of the presence of malic acid. Fox and Harada […] and others (v., Formation of…,1963) have obtained also the synthesis of adenine through electrons flux on methane, ammonia and water […]. The greatest part of the radiations produced by radioactive sources is absorbed by solids, and as the earth’s crust has a thickness of about 30 km, this type of radiation could have had no role in the synthesis of organic material in the primitive oceans».

 Hence Ponnamperuma affirms, in 1984 that these reactions are not of great help to the understanding of the synthesis of the nucleobases in the prebiotic phase. These however do not offer any indication of the presence of nucleobases in the prebiotic era.

In 1995 Christian De Duve, although a sustainer of the “RNA World” in “Polvere Vitale” affirms:« […] chemists have had a certain success in the production of the five organic components of the RNA, but with scarce rendering and in conditions at the same time very different from a prebiotic scenery and different for every substance. If one wants to combine the components in the right way, one comes across other problems, of such magnitude that no one has ever tried to do it in a prebiotic contest».

In 2004 Orgel, “Prebiotic Chemistry and the origin of the RNA World”, tries to unify the scene at least for the four nucleobases.

He shows how Adenine can be obtained from a eutectic solution, very concentrated, of NH₃ and HCN at the temperature of -23,4 °C, that is the synthesis of Orò revisited. Orgel points out that among the products of this reaction, traces of Guanine were found.

Orgel observes how the Uracil can be obtained by the hydrolysis of Cytosine.

For the synthesis of Cytosine he takes first into consideration the reaction between cyan acetic aldehyde and urea concentrated, but he concludes that, in the prebiotic era, such a reaction is not plausible. However it seems to him more plausible the reaction of a eutectic solution of cyan acetylene with cyanide because it could proceed in parallel with the synthesis of adenine also in eutectic condition.

On paper under the word “eutectic” the synthesis of the four nucleobases were done with the same logic.  But temperature and concentrations indicated by Orgel are completely outside any prebiotic context. It is overmore necessary to keep in mind that these synthesis also cause the formation of many nucleobases without interest, even obstacles for the origin of life.

To be short, in 2004, that is after a half century of tentatives by the best chemists in the world, we can conclude that, in the prebiotic phase, no chemical process has produced the four nucleobases and Rybose.

Furthermore, the following problems arise for the origin of RNA molecules:

In the pentoses, three carbon atoms are asymmetric and thus we have three chiralcentres. This implies that the number of possible molecules (stereoisomers) is equal to 2³ that is 8, of which four D (right) and four L (left) and among these the Ribose. It is true that every couple D-L has chemical-physic characteristics slightly different with respect to others, but from an energy point of view in a prebiotic phase, they all have the same probability to being synthesized. Now only for the spontaneous assemblage a nucleotide illustrated below,

     

            

 

the following passages are necessary:

1) Origin and separation of pentose from all other sugars

2) The separation of the four pentose D (right) from the L to avoid crossed reactions.

3) The separation of the D-Ribose from the other three sugars D to avoid superposed reactions.

4) Origin and separation of the four nucleobases necessary for the RNA from all the others.

5) A particular orientation, to obtain the four nucleotides, of all the nucleobases on OH of C-1, and to avoid the reaction with OH from C-2, C-3, C-5, (as illustrated above).

6) A particular orientation of the phosphate group on OH of C-5 to the end of avoiding the reaction with the OH from C-2, C-3 (as illustrated above)

7) The orientation of all the nucleobases in the position β (that in upwards as in the figure).

And finally for RNA:

8) The reaction of phosphate of the nucleotides with OH in the position C-3 of other nucleotides, with the exclusion of the position C-2, to give origin to the RNA.

In over 50 years of research, there have not been and there is not even now a chemist who has succeeded in corroding points 1, 2, 3, 4. And there has not been and there is not even now a biologist who can give an explanation to points 5, 6, 7, 8, without the intervention of specific enzymes.

It is important once again to underline that all the points listed above concern the original conception of the "RNA World", that is: the origin of life through the spontaneous appearance of self-replicating molecules.

Starting from 1967, experiments were conducted by Sol Spiegelman, Manfred Sumper and others using artificially activated nucleotides and Qß replicase (a very complex biological enzyme). From these experiments, RNA molecules ex novo of different composition and dependent on the experimental conditions were obtained. Concerning these experiments Manfred Eigen and others in "The origin of genetic information" The Sciences 1981 states: "What is important here is what these experiments reveal about Darwinian processes. Natural selection and evolution, which are consequences of self-replication, operate at the level of molecules as well as at the level of cells or species ".

It was not yet clear how the first RNA molecules appeared, but Darwinian processes begin to enter the "RNA World".

This idea of Eigen referred to RNA macromolecules is gradually extended to the molecules that make up RNA. So Christian De Duve in the essay "To the origins of life" 2008, with reference to the synthesis of nucleotides, taking note that, in the prebiotic era, D-Ribose was certainly in the presence of other sugars, also of opposite chirality, and that in addition to the bases constituting the RNA were certainly present other bases, he writes: «It seems more probable that life began with a Gemish, a mixture of many different molecules of similar structure and that those found in organisms living today emerged later selection».

This key notion was taken up in 2016 by two Italian scientists Ernesto Di Mauro and Raffaele Saladino in an essay: "From the Big Bang to the mother cell". In it the authors state that the solution has been Darwinian since the very beginning: the survival of the fittest. "Without selection there is no life, especially at the molecular level".

With De Duve, Di Mauro and Saladino (and obviously the contribution of other researchers), Darwinian processes are extended to the constituents of RNA and a new conception of the "RNA World" is definitively born: the origin of life through the appearance of self-replicating molecules by natural selection.

If this is the key notion, if the molecular selection already begins at the level of the constituents, then it is no longer important if, in prebiotic times, other sugars were present in addition to D-Ribose and if other bases were present in addition to the canonical bases, and their concentrations are not important either because the most suitable, not the most abundant, will survive. And the thought of A. Graham Cairns-Smith is passed according to which, thinking about the role of large times and large spaces, to generate structures, can lead astray. For scholars of the "RNA World", the fact that the constituents can be formed even if in the presence of different catalysts and in extreme space and energy conditions, however, demonstrates the possibility of their synthesis in the prebiotic era.

It is then, we follow the essay by Di Mauro and Saladino where the results of their research are also exhibited and which is the only essay in dissemination today that makes us understand comprehensively the state of the art of the world at RNA.

Instead of using high concentrations of hydrogen cyanide (HCN) which is a gas, as Orò worked to obtain nucleobases, the authors used formamide (HCONH2) which has a boiling point of 210 ° C.

The formamide heated to 110 ° C in the presence of clay produced Adenine, Cytosine and Uracil, three of the five nucleobases. In a second experiment, the clay was replaced with Titanium oxide (TiO2) obtaining Adenine, Cytosine and Thymine. Although the formation of the fifth nucleobase of Guanina is lacking in the presence of terrestrial minerals, and it cannot be excluded that it can be soon identified, the results are of considerable interest. First of all, formamide was certainly present in the prebiotic era; furthermore the temperature of 110 ° C on the mainland is locally plausible; finally the presence of clay and titanium oxide widely present on the planet's surface bring us back fully to Bernal's theory. This theory, in fact, postulates that clay had a decisive role in selecting, accumulating and catalyzing the formation of complex molecules. We can conclude that the presence of the nucleic acid constituents in the prebiotic era is plausible.

It is important to note that cellular metabolism intermediates were obtained in these experiments.

As reported by Di Mauro and Saladino, in 1992 Eschenmoser defined a biological process that mimics a prebiotic reaction (used in practice as a mold) as chemomimetic. In short, as the authors write: «The complex primary and secondary metabolic systems that we observe today operating in the cell would, on the basis of this definition, be the highly specialized version of the first prebiotic reactions around which molecular evolution would have built enzymes and systems increasingly complex structures to optimize each process in terms of energy and selectivity. It follows that, if chemomimesis exists and has controlled molecular evolution, a given prebiotic reaction should produce not only the fundamental biological molecules, selecting them from the thousands of possible structural variants (isomers), but also the main intermediates for their achievement , in perfect agreement with those still functional in the cell ».

Ribose molecule is often represented in linear form:

CHO

I

H -*COH

I

H -*COH

I

H -*COH

I

           CH₂OH

 

In reality, Ribose has a cyclical form:

 

  

When you move from the linear structure to the cyclic structure, there is the formation of α and ß anomers, that is, the OH can be below or above and reacting to give rise to different compounds. The α position is energetically preferred but in the nucleotides the four bases are all in the ß position.

Why this recall?

Because during the thermal condensation in the reaction between formamide and TiO2, formulated derivatives of adenine were obtained with the nucleic base bound to short C-1 sugar molecules already in the ß position.

 

 

This intermediate of the genetic apparatus, reacting with HCHO, could lead to the formation of a nucleoside (nucleotide without the phosphate group).

In experiments, also conducted by other researchers with formamide in the presence of borates or zirconates, sugars and nitrogen bases have been identified alongside intermediates of the current cellular metabolism such as pyruvic acid, lactic acid and α-amino acids.

Metabolism intermediates, in particular the Krebs cycle, were identified with TiO2 and formamide irradiated with UV.

The discovery of metabolic and genetic apparatus intermediates has expanded the RNA world program towards the unification of genetic vision with metabolic vision. That is, as Di Mauro and Saladino report, the search for «A prebiotic pathway capable of simultaneously producing intermediates of the genetic apparatus and components of the metabolism».

 

In the new conception of the "RNA World", a contribution of substances coming from space is also taken into consideration, in particular on the granules of the huge clouds of interstellar dust. Space dust analogues were produced in the laboratory and in the presence of formamide, they gave rise to nucleobases.

The contribution of meteorites in the presence of formamide was also studied, the presence of intermediates of both the metabolic and genetic apparatus was observed.

A high energy laser source was used to produce high temperatures and to study the impact of meteorites on the earth's surface in the presence of formamide. The presence of the five nitrogenous bases and glycine has been observed.

To simulate the contribution of the solar wind, high-energy protons, meteor dust and formamide were used at a temperature of -35 ° C. In these experiments the nucleic bases and for the first time the four nucleosides were obtained.

Phosphorylation reactions of nucleosides in the presence of formamide and phosphoric minerals have highlighted the possibility of nucleotide formation.

At this point, the formation of nucleotide chains for the formation of RNA, according to the authors, lies in the nature of things, in the strength of their chemical nature, in the principle of chemical affinity. That is, he seems to understand, a chemical need that could not fail to happen.

Replication is a chemically simple phenomenon due to chemical affinity which, in the presence of the right complementary monomers, in the right combinations and at the right temperature, could have happened by chance.

Variability is inherent in the chemical nature of the molecules and in the reactive properties of RNA.

For the RNA-Protein interaction you imagine the spontaneous formation of di- or tri-peptides that initially favoured the replication of RNA by entering through continuous functional verification into a winning evolutionary system.

For the origin of the genetic code, the possibility of the "frozen accident" is privileged; that is, other codes were possible and perhaps even existed, but once this route was taken it was not possible to go back.

While considering the compartmentalization in phospholipid bags as fundamental, in the initial phase, the formamide-heat-concentration-catalysis route is the most suitable environment in the "geothermal fields".

Hoping that the necessary synthesis has not misunderstood some parts, we close here with the results and the new vision of the "RNA World", that is, a world where necessity, chance and evolution are intertwined.

As can be seen from the articles in this Blog, we privilege an exclusively deterministic way and that to appear first were the proteins.

Further studies in the future will perhaps tell us which way is the most plausible or if the two ways will meet one day, for the moment it is right to wish all the scientists involved in this work good work.

                                                                                      

                                                                     Giovanni Occhipinti

 

 

 

 

                                                                                                         

 

IL "MONDO A RNA" NEL 2020

  Post n. 38

Per le peculiarità delle loro strutture atomiche gli elementi biogeni (H, O, C, N, P) sono gli unici che, attraverso i loro composti, sono adatti a svolgere, negli organismi viventi, le numerose funzioni biologiche. Sappiamo che tra questi composti i più importanti sono gli acidi nucleici, DNA e RNA, e le proteine. Acidi nucleici e proteine sono interdipendenti, nel senso che gli acidi nucleici contengono le istruzioni per il montaggio delle proteine ma sono le proteine che operano la sintesi degli acidi nucleici.

La teoria di Oparin-Haldane postulava che la vita avesse avuto origine in un brodo primordiale. È però estremamente improbabile che queste macromolecole si siano originate contemporaneamente, in modo indipendente e che incontrandosi casualmente abbiano iniziato ad interagire. Sorge quindi il problema: sono sorte prima le proteine (il metabolismo) o prima gli acidi nucleici (l’apparato genetico)? Gli esperimenti condotti da Miller e altri ricercatori negli `50 e `60 hanno evidenziato che gli amminoacidi, costituenti delle proteine, sono facili da sintetizzare in ambiente prebiotico, mentre i costituenti degli acidi nucleici, cioè zuccheri e basi azotate, sono molto difficili da sintetizzare. Era logico quindi pensare che fossero comparse per prima le proteine. Quando alla fine degli anni `60 divenne evidente il fallimento della sintesi delle proteine nel brodo prebiotico, i ricercatori iniziarono a guardare con interesse agli acidi nucleici.

Tra i due acidi nucleici l’RNA ha dato origine alla teoria del “Mondo a RNA”; esso fu preferito perché meno complesso, partecipa al montaggio delle proteine e in alcuni virus sostituisce il DNA come materiale genetico. La teoria del “Mondo a RNA” postula che la vita ebbe origine attraverso la comparsa di molecole autoreplicanti di RNA.

L'RNA è una grande molecola le cui unità costitutive sono quattro nucleotidi.

Essi sono i muri portanti dell’RNA e sono costituiti da un gruppo fosfato, dal D-Ribosio (uno zucchero pentoso) e una delle quattro basi azotate, Adenina, Guanina, appartenenti alla famiglia delle Purine; Uracile, Citosina, appartenenti alla famiglia delle Pirimidine.

Certamente per la formazione di molecole autoreplicanti di RNA è necessario innanzitutto la presenza, in epoca prebiotica, tutti i costituenti sopra elencati e, in secondo luogo, capire in che modo si sono legati per formare l’RNA

Il gruppo fosfato (HPO₄^-), anche se in piccole quantità, si trova, oggi, diffuso su tutta la superficie del pianeta e non c’è motivo di ritenere che non fosse presente anche in epoca prebiotica.

In riferimento al ribosio, Ponnamperuma in “Origine della vita”, 1984 afferma: «In contrasto con i progressi compiuti nel campo della chimica primordiale degli 

 amminoacidi, l'origine di un altro gruppo di sostanze altrettanto importanti biologicamente, i monosaccaridi (zuccheri), è tuttora assai incerta. Già nel 1861 A. Butlerow aveva mostrato che formaldeide sciolta in acqua va incontro a un processo di condensazione, in ambiente alcalino, dando luogo a una miscela di zuccheri. […] Ci sono peraltro varie difficoltà nell'accettare l'ipotesi che la formaldeide possa essere stata utilizzata come precursore dei monosaccaridi. Horowitz e Miller hanno sottolineato che le elevate concentrazioni di formaldeide usate in alcuni esperimenti non riproducono in modo realistico le condizioni della Terra primitiva. Sono state sollevate obiezioni anche all'uso di soluzioni molto basiche. P. H. Abelson sostiene che la concentrazione di ammoniaca libera nei mari e nell'atmosfera non fu mai molto elevata, e che un oceano fortemente alcalino non è mai esistito. Inoltre, la formaldeide polimerizza assai rapidamente dando paraformaldeide, e può pertanto allontanarsi dall'ambiente. […]».

Nel 1994 in Le scienze, “L’origine della vita sulla terra”, in riferimento al ribosio L. Orgel scrive: «È anche possibile che alcune reazioni non enzimatiche capaci di portare alla sintesi di ribonucleotidi puri non siano state ancora identificate». Egli cita Albert Eschenmoser che è riuscito a limitare il numero di zuccheri differenti prodotti nella sintesi del ribosio dalla formaldeide in presenza di borati e in particolari condizioni ha anche ottenuto un derivato fosforilato del ribosio.

Nel 2004, in Prebiotic Chemistry and the Origin of the RNA World, Orgel riprende l’ormai nota reazione di Butlerow di 150 anni fa. Scrive che se questa reazione potesse essere indirizzata verso la sintesi del ribosio sarebbe ideale per la sintesi dello zucchero componente dei nucleotidi. Cita Zubey(1998, 2001) che ha ripetuto la reazione in presenza di piombo. Mette anche in evidenza come il borato di calcio stabilizza i pentosi (Ricardo e altri, 2004). Ammette che tutte queste reazioni avvengono a pH troppo elevato e con elevate concentrazioni di reagenti. Infine conclude che alcuni progressi sono stati fatti, ma che vi sono ancora una serie di ostacoli alla sintesi di quantità significative e pure di ribosio.

 E in riferimento alle basi azotate nello stesso saggio C. Ponnamperuma aggiunge:

   

«Le purine sono state sintetizzate per la prima volta in condizioni che simulavano quelle della Terra primitiva da Orò (v., Studies in..., 1963), il quale dimostrò che si poteva ottenere la sintesi di adenina da una soluzione concentrata di cianuro d'ammonio. Nelle sue linee essenziali la reazione può essere raffigurata come 5 molecole di cianuro di idrogeno che, in presenza di ammoniaca, danno luogo ad adenina. Questa sintesi è stata confermata da Lowe e collaboratori […]. In seguito, Orò riuscì a sintetizzare guanina e xantina portando a una temperatura di 100-140°C una soluzione acquosa di amminoimidazolocarbossimmide. Il rendimento è stato dell'1,5% per ambedue le purine. È possibile che questo sia uno dei modi in cui è avvenuta la sintesi delle purine sulla Terra primitiva, ma le concentrazioni usate da Orò erano di gran lunga troppo alte per corrispondere a una situazione prebiotica. Se le condizioni sperimentali fossero state davvero simili a quelle prebiotiche, se, per esempio, si fossero usate concentrazioni più basse, allora queste reazioni sarebbero di grande aiuto alla comprensione dell'origine delle purine nelle condizioni presenti nella fase prebiotica della Terra. Nonostante gli sforzi fatti, non è stato possibile identificare con sicurezza purine e pirimidine tra i prodotti finali in esperimenti che impiegavano scariche elettriche. Poiché si forma una gran quantità di cianuro di idrogeno, è difficile capire come le purine potrebbero essere assenti. Ben poco è stato fatto nel campo della sintesi delle pirimidine. Fox e Harada (v., 1961) hanno dimostrato che uracile può essere ottenuto per riscaldamento di acido malico e urea. Mentre l'urea si forma facilmente negli esperimenti che simulano la Terra primitiva, non esiste alcuna indicazione della presenza di acido malico. […]. Fox e Harada e altri (v., Formation of..., 1963) hanno ottenuto anche la sintesi di adenina mediante irraggiamento con elettroni di metano, ammoniaca e acqua. […] La maggior parte delle radiazioni prodotte da sorgenti radioattive viene assorbita dai solidi, e poiché la crosta terrestre ha uno spessore di circa 30 km, questo tipo di radiazione potrebbe non aver avuto alcun ruolo nella sintesi di materiale organico negli oceani primitivi».

Quindi Ponnamperuma afferma, nel 1984, che queste reazioni non sono di grande aiuto alla comprensione delle sintesi delle basi azotate nella fase prebiotica. In conclusione non abbiamo nessun indizio della presenza, in epoca prebiotica, delle basi azotate.

Nel 1995 C. de Duve, pur essendo un sostenitore dell’RNA, in “Polvere vitale”, scrive: «[…] i chimici hanno avuto un certo successo nella produzione dei cinque componenti organici dell'RNA, ma con scarso rendimento ed in condizioni ad un tempo molto diverse da uno scenario prebiotico e diverse per ogni sostanza. Volendo combinare i componenti nel modo giusto ci si imbatte in altri problemi, di tale grandezza che nessuno ha mai tentato di farlo in un contesto prebiotico».

Nel 2004 Orgel (articolo citato), ritorna sulla sintesi delle quattro basi azotate e tenta anche di unificare lo scenario. Egli mette in evidenza come l’Adenina si puo ottenere da una miscela eutettica, molto concentrata, di HCN e NH₃ (acido cianidrico e ammoniaca) alla temperatura di -23,4°C, cioè la sintesi di Orò rivisitata. Sottolinea che tra i prodotti di questa reazione si sono trovate tracce di guanina.

Orgel fa notare come l’uracile si possa ottenere dall'idrolisi della citosina.

Per la sintesi della citosina prende prima in considerazione la reazione tra ciano-acetaldeide e urea concentrata ma conclude che, in epoca prebiotica, una simile reazione non è plausibile. Le sembra però più plausibile la reazione di una soluzione eutettica di ciano acetilene con cianato perché potrebbe procedere in parallelo con la sintesi dell’adenina anch’essa in condizione eutettica.

Sulla carta, sotto la parola “eutettica”, la sintesi delle quattro basi azotate sono state condotte sotto la stessa logica. Ma temperatura e concentrazioni indicate da Orgel sono completamente fuori da ogni contesto prebiotico. Bisogna inoltre tenere presente che queste sintesi portano anche alla formazione di tante altre basi azotate di nessun interesse anzi di ostacolo per l’origine della vita.

In definitiva, alla fine del 2004, cioè dopo oltre mezzo secolo di tentativi da parte dei migliori chimici del mondo, nessun processo chimico attendibile ci indicava la presenza, in epoca prebiotica, di basi organiche e Ribosio.

Inoltre per l’origine di molecole di RNA si pongono i seguenti altri problemi:

Nei pentosi sono asimmetrici tre atomi di carbonio e quindi si hanno tre centri chirali. Ciò comporta che il numero di molecole possibili (stereoisomeri) sia pari a 2³, ossia 8, di cui quattro D (Destro) e quattro L (Levo) e tra questi il D Ribosio. È vero che ogni coppia DL presenta caratteristiche chimico-fisiche leggermente diverse rispetto alle altre, ma da un punto di vista energetico in una fase prebiotica, hanno tutti la stessa probabilità di essere sintetizzate.  Ora solo per l’assemblaggio spontaneo di un nucleotide qui sotto illustrato,

 

 

 sono necessari i seguenti passaggi:

1) Origine e separazione dei pentosi da tutti gli altri zuccheri

2) Separazione dei quattro pentosi Destro dai Levo per evitare reazioni incrociate.

3) Separazione del D-Ribosio dagli altri tre zuccheri Destro per evitare reazioni sovrapposte.

4) Origine e separazione delle quattro basi necessarie per l'RNA da tutte le altre.

5) Particolare orientamento, per ottenere i quattro nucleotidi, di tutte e quattro basi sull’OH del C-1, ed evitare la reazione con l'OH del C-2, C-3, C-5 (come illustrato sopra).

6) Orientamento di tutte le basi nella posizione β (cioè verso l’alto come in figura)

7) Particolare orientamento del gruppo fosfato sull'OH del C-5 al fine di evitare la reazione con l'OH del C-2, C-3 (come illustrato sopra).

E infine per l’RNA:

8) Reazione del fosfato dei nucleotidi con l'OH in posizione C-3 di altri nucleotide, con l’esclusione della posizione C-2, per dare origine all’RNA.

In oltre 50 anni di ricerche, non c’è stato un chimico che sia riuscito a scalfire i punti 1,2,3,4. E non c’è stato un biologo che possa dare una spiegazione ai punti 5,6,7 e 8, senza l’apporto di enzimi specifici.

È importane ancora una volta sottolineare che tutti i punti sopra elencati riguardano la concezione originaria del “Mondo a RNA” cioè: l’origine della vita attraverso la comparsa spontanea di molecole autoreplicanti.

A partire dal 1967 furono condotti, da Sol Spiegelman, Manfred Sumper e altri, alcuni esperimenti utilizzando nucleotidi attivati artificialmente e Q_ß replicasi (un enzima biologico molto complesso). Da tali esperimenti si ottennero molecole di RNA ex novo di composizione diversa e dipendenti dalle condizioni sperimentali. In merito a questi esperimenti Manfred Eigen e altri in “L’origine dell’informazione genetica” Le Scienze 1981 afferma: «Ciò che è importante, qui, è quello che questi esperimenti rivelano sui processi darwiniani. La selezione naturale e l’evoluzione, che sono conseguenze dell’auto replicazione, opera a livello delle molecole così come a livello delle cellule o delle specie».

Non era ancora chiaro come fossero comparse le prime macromolecole di RNA, ma i processi Darwiniani iniziano ad entrare nel “Mondo a RNA”.

Questa idea di Eigen riferita alle macromolecole di RNA viene gradualmente estesa alle molecole costituenti l’RNA. Così Christian De Duve nel saggio “Alle origini della vita” 2008, in riferimento alla sintesi dei nucleotidi, preso atto che, in epoca prebiotica, il D-Ribosio era sicuramente in presenza di altri zuccheri, anche di opposta chiralità, e che oltre alle basi costituenti l’RNA erano presenti sicuramente altre basi, scrive: «Pare più probabile che la vita abbia avuto inizio con un Gemish, un miscuglio di molte molecole diverse di struttura simile e che quelle che si trovano negli organismi oggi viventi sia emerse per successiva selezione».

Questa nozione chiave viene ripresa, nel 2016, da due scienziati italiani Ernesto Di Mauro e Raffaele Saladino in un saggio: “Dal Big Bang alla cellula madre”. In esso gli autori affermano che la soluzione è stata Darwiniana già dai primissimi albori: la sopravvivenza del più adatto. «Senza selezione non c’è vita, soprattutto a livello molecolare».

Con De Duve, Di Mauro e Saladino (e ovviamente il contributo di altri ricercatori), i processi Darwiniana vengono estesi ai costituenti dell’RNA e nasce definitivamente una nuova concezione del “Mondo a RNA”: l’origine della vita attraverso la comparsa dei costituenti delle macromolecole e di macromolecole auto-replicanti per selezione naturale.

Se questa è la nozione chiave, se la selezione molecolare inizia già a livello dei costituenti, allora non è più importate se, in epoca prebiotica, oltre al D-Ribosio fossero presenti altri zuccheri e se oltre alle basi canoniche fossero presenti altre basi, e non sono importanti nemmeno le loro concentrazioni perché a sopravvivere sarà il più adatto non il più abbondante. E viene superato il pensiero di A. Graham Cairns-Smith secondo cui pensare al ruolo di grandi tempi e grandi spazi, per generare strutture può portare fuori strada. Per gli studiosi del “Mondo a RNA” il fatto che i costituenti si possono formare anche se in presenza di catalizzatori diversi e in condizioni spaziali ed energetiche estreme dimostra comunque la possibilità della loro sintesi in epoca prebiotica. 

È allora, seguiamo il saggio di Di Mauro e Saladino dove vengono esposte anche il risultato delle loro ricerche e che, per inciso, è l’unico saggio oggi in divulgazione che ci fa capire in modo esauriente lo stato dell’arte del mondo a RNA.

Invece di utilizzare, come ha operato Orò per le basi azotate, alte concentrazioni di acido cianidrico (HCN) che è un gas, gli autori hanno utilizzato la formammide (HCONH₂) che ha un punto di ebollizione di 210°C. La formammide scaldata a 110°C in presenza di argilla ha prodotto Adenina, Citosina e Uracile, tre delle cinque basi azotate. In un secondo esperimento l’argilla è stata sostituita con ossido di Titanio (TiO₂) ottenendo Adenina, Citosina e Timina. Anche se manca la formazione della quinta Base azotata la Guanina in presenza di minerali terrestri, e non è escluso che essa possa essere ben presto identificata, i risultati sono di notevole interesse. Innanzitutto la formammide era probabilmente presente in epoca prebiotica; inoltre la temperatura di 110°C sulla terraferma è localmente plausibile; infine la presenza di argilla e di ossido di titanio largamente presente sulla superfice del pianeta ci riportano a pieno titolo alla teoria di Bernal. Questa teoria, infatti, postula che l’argilla abbia avuto un ruolo determinante per selezionare, accumulare e catalizzare la formazione di molecole complesse. Possiamo concludere che è plausibile la presenza dei costituenti degli acidi nucleici in epoca prebiotica.

È importante sottolineare che in questi esperimenti sono stati ottenuti intermedi del metabolismo cellulare.

Come riportano Di Mauro e Saladino, nel 1992 Eschenmoser definì come chemiomimetico un processo biologico che mima una reazione prebiotica (usata in pratica come stampo). In definitiva come scrivono gli autori: «I complessi sistemi metabolici primari e secondari che oggi osserviamo in funzione nella cellula sarebbero, sulla base di questa definizione, la versione altamente specializzata delle prime reazioni prebiotiche intorno alle quali l’evoluzione molecolare avrebbe costruito enzimi e apparati strutturali sempre più complessi per ottimizzare ogni processo in termini energetici e di selettività. Ne consegue che, se la chemiomimesi esiste e ha controllato l’evoluzione molecolare, una determinata reazione prebiotica dovrebbe produrre non solo le molecole biologiche fondamentali, selezionandole tra le migliaia di varianti strutturali possibili (isomeri), ma anche i principali intermedi per il loro ottenimento, in perfetto accordo con quelli ancora oggi funzionali nella cellula».

La molecola del Ribosio si rappresenta spesso in forma lineare

CHO

I

H -*COH

I

H -*COH

I

H -*COH

I

           CH₂OH

 

In realtà il ribosio ha una forma ciclica

Nel momento in cui si passa dal la struttura lineare alla struttura ciclica, si ha la formazione di anomeri α e ß cioè l’OH può stare sotto o sopra e reagendo dare origine a composti diversi. La posizione α è energeticamente preferita ma nei nucleotidi le quattro basi sono tutte nella posizione ß.

Perché questo richiamo?

Perché durante la condensazione termica nella reazione tra formammide e TiO₂ sono stati ottenuti derivati formilati dell’adenina con la base nucleica legata a corte molecole di zuccheri in C-1 già nella posizione ß. 

 Questo intermedio dell’apparato genetico, reagendo con HCHO, potrebbe portare alla formazione di un nucleoside (nucleotide senza il gruppo fosfato).  

In esperimenti, condotti anche da altri ricercatori con la formammide in presenza di borati o di zirconati sono stati individuati zuccheri e basi azotate accanto a intermedi dell’attuale metabolismo cellulare come acido piruvico, acido lattico e α-amminoacidi.

Intermedi del metabolismo in particolare del ciclo di Krebs sono stai individuati con TiO₂ e formammide irradiati con UV.

La scoperta di intermedi del metabolismo e dell’apparato genetico ha ampliato il programma del mondo a RNA verso l’unificazione della visione genetica con quella metabolica. Cioè la ricerca di «Una via prebiotica in grado di produrre contemporaneamente intermedi dell’apparato genetico e componenti del metabolismo».

Nella nuova concezione del “Mondo a RNA”, viene preso in considerazione anche un contributo di sostanze proveniente anche dallo spazio, in particolare sui granuli delle enormi nubi di polveri interstellari. Analoghi di polveri spaziali sono state prodotte in laboratorio e in presenza di formammide hanno dato origine a basi azotate.

È stato studiato anche il contributo dei meteoriti in presenza di formammide, si è osservata la presenza di intermedi sia dell’apparato metabolico che dell’apparato genetico.

Una sorgente laser ad alta energia è stata utilizzata per produrre elevate temperature e studiare l’impatto dei meteoriti sulla superficie della terra in presenza di formammide. Si è osservata la presenza delle cinque basi azotate e della glicina.

Per simulare il contributo del vento solare sono stati utilizzati protoni ad alta energia, polveri di meteoriti e formammide alla temperatura di -35°C. In questi esperimenti sono stati ottenuti le basi nucleiche e per la prima volta i quattro nucleosidi.

Reazioni di fosforilazione dei nucleosidi in presenza di formammide e minerali fosforici hanno evidenziato la possibilità di formazione dei nucleotidi.

A questo punto la formazione di catene nucleotidi per la formazione dell’RNA, secondo gli autori, sta nella natura delle cose, nella forza della loro natura chimica, nel principio di affinità chimica. Cioè, sembra di capire, una necessità chimica che non poteva non accadere.

La replicazione è un fenomeno chimicamente semplice per affinità chimica che, in presenza dei giusti monomeri complementari, nelle giuste combinazioni e alla giusta temperatura, potrebbe essere avvenuto per caso.

La variabilità è insita nella natura chimica delle molecole e nelle proprietà reattive dell’RNA

Per l’interazione RNA-Proteine si immagina la formazione spontanea di di- o tri-peptidi che inizialmente abbiano favorito la replicazione dell’RNA entrando attraverso una continua verifica funzionale in un sistema evolutivo vincente.

Per l’origine del codice genetico si privilegia la possibilità “dell’accidente congelato”; erano cioè possibile altri codici e forse sono anche esistiti, ma una volta imboccata questa via non è stato possibile tornare indietro.

Pur considerando fondamentale la compartimentazione in sacche fosfolipidiche nella fase iniziale la via formammide-calore-concentrazione-catalisi l’ambiente più adatto viene individuato nei “campi geotermali”.

Sperando che la necessaria sintesi non abbia frainteso alcune parti, chiudiamo qui con i risultati e la nuova visione del “Mondo a RNA”, cioè un mondo dove si sono intrecciati necessità, caso ed evoluzione.

Come si evince dagli articoli, in questo Blog si privilegia una via esclusivamente deterministica, e che a comparire per prima siano state le proteine.

Ulteriori studi in futuro forse ci diranno quale via è la più plausibile o se le due vie un giorno si incontreranno, per il momento è doveroso augurare buon lavoro a tutti gli scienziati impegnati in questo lavoro.

                                                                      

                                                           Giovanni Occhipinti

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