La vita sulla Terra ha avuto origine da un'intima collaborazione tra gli acidi nucleici (istruzioni genetiche per tutti gli organismi) e piccole proteine ​​chiamate peptidi, secondo due nuovi articoli di biochimici e biologi dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill e dell'Università di Auckland. La loro ipotesi "peptide-RNA" contraddice l'ipotesi ampiamente diffusa "RNA-mondo", che afferma che la vita ha avuto origine dagli acidi nucleici e solo in seguito si è evoluta per includere le proteine.

I nuovi giornali - uno in Biologia Molecolare ed Evoluzione , l'altro in Biosystems - mostra come recenti studi sperimentali su due superfamiglie di enzimi superino le difficili domande teoriche su come la vita complessa sia emersa sulla Terra più di quattro miliardi di anni fa.

"Fino ad ora, si è ritenuto impossibile condurre esperimenti per penetrare le origini della genetica, " ha detto il co-autore Charles Carter, dottorato di ricerca, professore di biochimica e biofisica presso la UNC School of Medicine. "Ma ora abbiamo dimostrato che i risultati sperimentali si integrano magnificamente con la teoria del 'peptide-RNA', e quindi questi esperimenti forniscono risposte piuttosto convincenti a ciò che accadde all'inizio della vita sulla Terra".

Gli attributi speciali delle versioni ancestrali di queste superfamiglie di enzimi, e il sistema di feedback auto-rinforzante che si sarebbero formati con i primi geni e proteine, avrebbe dato il via alla biologia primitiva e guidato le prime forme di vita verso una maggiore diversità e complessità, hanno detto i ricercatori.

Co-autore Peter Wills, dottorato di ricerca, professore di fisica all'Università di Auckland, disse, "Rispetto all'ipotesi del mondo a RNA, quello che abbiamo delineato è semplicemente uno scenario molto più probabile per l'origine della vita. Speriamo che i nostri dati e la teoria che abbiamo delineato in questi documenti stimoleranno la discussione e ulteriori ricerche su questioni rilevanti per le origini della vita».

I due scienziati sono pienamente consapevoli che l'ipotesi del mondo a RNA domina ancora il campo di ricerca sull'origine della vita. "Questa teoria è così allettante e conveniente che la maggior parte delle persone non pensa che ci sia alcuna alternativa, " Carter ha detto. "Ma siamo molto fiduciosi che ci sia".

Prima che ci fosse la vita sulla Terra, c'erano semplici sostanze chimiche. In qualche modo, hanno prodotto sia amminoacidi che nucleotidi che alla fine sono diventati le proteine ​​e gli acidi nucleici necessari per creare singole cellule. E le singole cellule sono diventate piante e animali. La ricerca di questo secolo ha rivelato come il brodo chimico primordiale abbia creato gli elementi costitutivi della vita. C'è anche un ampio consenso scientifico sul percorso storico attraverso il quale le cellule si sono evolute in piante e animali.

Ma è ancora un mistero come i mattoni degli amminoacidi siano stati assemblati per la prima volta secondo modelli codificati di acido nucleico nelle proteine ​​che hanno formato il macchinario di tutte le cellule.

La teoria ampiamente accettata del mondo dell'RNA postula che l'RNA - la molecola che oggi gioca un ruolo nella codifica, regolazione, ed esprimendo geni - si è elevato dal brodo primordiale di amminoacidi e sostanze chimiche cosmiche, alla fine per dare origine prima a brevi proteine ​​chiamate peptidi e poi a organismi unicellulari.

Carter e Wills sostengono che l'RNA non potrebbe avviare questo processo da solo perché manca di una proprietà che chiamano "riflessività". Non può far rispettare le regole con cui è fatto. L'RNA aveva bisogno di peptidi per formare il circuito di feedback riflessivo necessario per portare alla fine a forme di vita.

Al centro della teoria del peptide-RNA ci sono enzimi così antichi e importanti che i loro resti si trovano ancora in tutte le cellule viventi e persino in alcune strutture subcellulari, compresi mitocondri e virus. Ci sono 20 di questi antichi enzimi chiamati aminoacil-tRNA sintetasi (aaRS).

Ognuno di loro riconosce uno dei 20 amminoacidi che fungono da mattoni delle proteine. (proteine, considerate le macchine della vita, catalizzare e sincronizzare le reazioni chimiche all'interno delle cellule.) Negli organismi moderni, un aaRS collega efficacemente il suo amminoacido assegnato a una stringa di RNA contenente tre nucleotidi complementari a una stringa simile nel gene trascritto. Gli aaRS svolgono quindi un ruolo centrale nella conversione dei geni in proteine, un processo chiamato traduzione che è essenziale per tutte le forme di vita.

I 20 enzimi aaRS appartengono a due famiglie strutturalmente distinte, ciascuno con 10 aaRS. I recenti studi sperimentali di Carter hanno mostrato che i due piccoli enzimi antenati di queste due famiglie erano codificati da opposti, filamenti complementari dello stesso piccolo gene. La semplicità di questa disposizione, con il suo codice binario iniziale di soli due tipi di amminoacidi, suggerisce che si è verificato agli albori della biologia. Inoltre, il stretto, L'interdipendenza yin-yang di questi due enzimi correlati ma molto distinti avrebbe stabilizzato la biologia primitiva in un modo che avrebbe reso inevitabile l'ordinata diversificazione della vita che ne seguì.

"Questi peptidi interdipendenti e gli acidi nucleici che li codificano sarebbero stati in grado di aiutare l'auto-organizzazione molecolare dell'altro nonostante le continue interruzioni casuali che assillano tutti i processi molecolari, " Ha detto Carter. "Crediamo che questo sia ciò che ha dato origine a un mondo peptide-RNA all'inizio della storia della Terra, " disse Carter.

Ricerca correlata di Carter e del collega dell'UNC Richard Wolfenden, dottorato di ricerca, precedentemente rivelato come la chimica intima degli amminoacidi ha permesso ai primi enzimi aaRS di ripiegarsi correttamente in enzimi funzionali, determinando contemporaneamente le assegnazioni nella tabella di codifica genetica universale.

"L'applicazione della relazione tra geni e amminoacidi dipende dagli aaRS, che sono essi stessi codificati da geni e costituiti da amminoacidi, " disse Wills. "Gli aaRS, a sua volta, dipendono da quella stessa relazione. C'è una riflessività di base al lavoro qui. Il teorico Douglas Hofstadter lo ha definito uno "strano ciclo". Proponiamo che questo, pure, ha svolto un ruolo cruciale nell'auto-organizzazione della biologia quando la vita è iniziata sulla Terra. Hofstadter ha sostenuto che la riflessività fornisce la forza che guida la crescita della complessità."

Carter e Wills hanno sviluppato due ulteriori ragioni per cui era improbabile che una biologia dell'RNA puro di qualche significato avesse preceduto una biologia dell'RNA peptide. Uno dei motivi è la catalisi, l'accelerazione delle reazioni chimiche che coinvolgono altre molecole.

La catalisi è una caratteristica chiave della biologia che l'RNA non può eseguire con molta versatilità. In particolare, Gli enzimi RNA non possono adattare prontamente le loro attività ai cambiamenti di temperatura che probabilmente si sono verificati quando la terra si è raffreddata, e quindi non può eseguire la gamma molto ampia di accelerazioni catalitiche che sarebbe stata necessaria per sincronizzare la biochimica delle prime forme di vita basate sulle cellule. Solo gli enzimi peptidici o proteici hanno quel tipo di versatilità catalitica, disse Carter.

In secondo luogo, Wills ha dimostrato che ostacoli impossibili avrebbero bloccato qualsiasi transizione da un mondo a RNA puro a un mondo a RNA proteico e poi verso la vita.

"Un tale aumento dall'RNA alla vita basata sulle cellule avrebbe richiesto un aspetto inaspettato di una proteina simile all'aaRS che funzionava anche meglio della sua controparte RNA adattata, " Ha detto Carter. "Questo evento estremamente improbabile avrebbe dovuto accadere non solo una volta ma più volte - una volta per ogni amminoacido nel codice gene-proteina esistente. Semplicemente non ha senso".

Così, perché la nuova teoria di Carter-Wills affronta in realtà problemi reali sull'origine della vita che sono nascosti dall'opportunità dell'ipotesi del mondo a RNA, in realtà è un resoconto molto più semplice di come le cose probabilmente sono accadute poco prima che la vita sulla Terra sorgesse dal brodo primordiale.