Introduzione

I chimici della Scripps Research hanno fatto una scoperta che supporta una nuova sorprendente visione di come la vita sia nata sul nostro pianeta. La reazione chimica avrebbe potuto assemblare i blocchi di costruzione del DNA prima che le forme di vita e i loro enzimi esistessero.

Una miscela chimica

In uno studio pubblicato sulla rivista di chimica Angewandte Chemie, hanno dimostrato che un semplice composto chiamato diamidofosfato (DAP), che era plausibilmente presente sulla Terra prima che la vita nascesse, potrebbe aver unito chimicamente piccoli blocchi di DNA chiamati deossinucleosidi in filamenti di DNA primordiale.

La scoperta è l’ultima di una serie che, nel corso degli ultimi anni, indicano la possibilità che il DNA e il suo vicino cugino chimico RNA siano sorti insieme come prodotti di reazioni chimiche simili e che le prime molecole auto-replicanti – le prime forme di vita sulla Terra – fossero miscele delle due.

La scoperta può anche portare a nuove applicazioni pratiche in chimica e biologia, ma il suo significato principale è che affronta l’annosa questione di come è nata la vita sulla Terra. In particolare, apre la strada a studi più approfonditi su come le miscele auto-replicanti di DNA-RNA avrebbero potuto evolversi e diffondersi sulla Terra primordiale e, in ultima analisi, seminare la biologia più matura degli organismi moderni.

Questa scoperta è un passo importante verso lo sviluppo di un modello chimico dettagliato di come le prime forme di vita hanno avuto origine sulla Terra“, dice l’autore senior dello studio Ramanarayananan Krishnamurthy, PhD, professore associato di chimica alla Scripps Research.

La scoperta spinge anche il campo della chimica dell’origine della vita ad allontanarsi dall’ipotesi che l’ha dominata negli ultimi decenni: L’ipotesi del “Mondo RNA” presuppone che i primi replicatori fossero basati sull’RNA e che il DNA sia sorto solo più tardi come prodotto di forme di vita RNA.

L’RNA è troppo appiccicoso?

Krishnamurthy e altri hanno messo in dubbio l’ipotesi del “Mondo RNA” in parte perché le molecole di RNA potrebbero essere state semplicemente troppo “appiccicose” per servire come primi autoreplicatori.

Un filamento di RNA può attrarre altri singoli blocchi di costruzione dell’RNA, che si attaccano ad esso per formare una sorta di specchio-immagine che si lega al suo blocco di costruzione complementare sul filamento originale, il filamento “modello“. Se il nuovo filamento può staccarsi dal filamento “modello” e, con lo stesso processo, iniziare a modellare altri nuovi filamenti, allora ha raggiunto l’impresa dell’autoreplicazione che è alla base della vita.

Ma mentre i filamenti di RNA possono essere bravi a modellare filamenti complementari, non sono così bravi a separarsi da questi. Gli organismi moderni producono enzimi che possono costringere i filamenti gemelli dell’RNA o del DNA ad andare per la loro strada, permettendo così la replicazione, ma non è chiaro come ciò possa essere stato fatto in un mondo in cui gli enzimi non esistevano ancora.

Una soluzione chimerica

Krishnamurthy e colleghi hanno dimostrato in studi recenti che i filamenti molecolari “chimerici” che sono in parte DNA e in parte RNA possono essere stati in grado di aggirare questo problema, perché possono modellare i filamenti complementari in un modo meno appiccicoso che permette loro di separarsi con relativa facilità.

I chimici hanno anche dimostrato, in documenti ampiamente citati negli ultimi anni, che i semplici blocchi di ribonucleoside e deossinucleoside, rispettivamente di RNA e DNA, potrebbero essere sorti in condizioni chimiche molto simili sulla Terra.

Inoltre, nel 2017 hanno riferito che il composto organico DAP avrebbe potuto svolgere il ruolo cruciale di modificare i ribonucleosidi e di incatenarli insieme nei primi filamenti di RNA. Il nuovo studio mostra che il DAP in condizioni simili avrebbe potuto fare lo stesso per il DNA.

Abbiamo scoperto, con nostra sorpresa, che usare il DAP come reagente con i deossinucleosidi funziona meglio quando i deossinucleosidi non sono tutti uguali, ma sono invece miscele di diverse ‘lettere’ di DNA come A e T, o G e C, come il vero DNA“, dice il primo autore Eddy Jiménez, PhD, un associato di ricerca post-dottorato nel laboratorio di Krishnamurthy.

Ora che abbiamo capito meglio come una chimica primordiale avrebbe potuto produrre i primi RNA e DNA, possiamo iniziare ad usarla su miscele di blocchi di ribonucleoside e deossinucleoside per vedere cosa si formano le molecole chimeriche – e se possono autoreplicarsi ed evolversi“, dice Krishnamurthy.

Applicazioni

Egli osserva che il lavoro può avere anche ampie applicazioni pratiche. La sintesi artificiale del DNA e dell’RNA, per esempio nella tecnica “PCR” che sta alla base dei test COVID-19, si riferisce ad un vasto business globale, ma dipende da enzimi che sono relativamente fragili e quindi hanno molti limiti. I metodi chimici robusti e privi di enzimi per la produzione di DNA e RNA possono finire per essere più attraenti in molti contesti, dice Krishnamurthy.

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