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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