Cercare di spiegare come il DNA e l'RNA si siano evoluti per formare spirali così ordinate è stato un noto enigma nella scienza. Ma un nuovo studio suggerisce che la rotazione potrebbe essersi verificata con facilità miliardi di anni fa, quando gli antenati chimici dell'RNA si sono casualmente trasformati in filamenti a spirale.

Nel laboratorio, i ricercatori del Georgia Institute of Technology sono rimasti sorpresi di vederli farlo in condizioni ritenute comuni sulla Terra appena prima che si evolvesse la prima vita:in acque chiare, senza catalizzatori, e a temperatura ambiente.

La spirale ordinata ha anche integrato elegantemente un altro composto che oggi costituisce la spina dorsale di RNA e DNA. La struttura risultante aveva caratteristiche che assomigliavano molto all'RNA.

Colpi di scena fondamentali

Lo studio si è avvicinato di un passo alla risposta a una domanda sull'uovo di gallina sul percorso evolutivo che ha portato all'RNA (da cui si è poi evoluto il DNA):è venuta prima la spirale, e questa struttura ha influenzato quali componenti molecolari sono stati successivamente trasformati nell'RNA perché si adattano bene alla spirale?

"La spirale avrebbe potuto avere un effetto di rinforzo. Potrebbe aver facilitato il collegamento di molecole che hanno la stessa chiralità (curva) a connettersi in una spina dorsale comune compatibile con la torsione elicoidale, " ha detto il ricercatore principale dello studio Nicholas Hud, un Regents Professor alla Scuola di Chimica e Biochimica della Georgia Tech.

I ricercatori hanno pubblicato il nuovo studio sulla rivista Angewandte Chemie nel dicembre 2018. La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e dal NASA Astrobiology Program nell'ambito del Center for Chemical Evolution. Il centro ha sede presso Georgia Tech, e Hud è il suo investigatore principale.

I polimeri risultanti dallo studio non erano RNA, ma avrebbero potuto essere un importante passo intermedio nella prima evoluzione dell'RNA. Per i blocchi da costruzione, i ricercatori hanno utilizzato molecole di base denominate "proto-nucleobasi, " altamente sospettati di essere precursori di basi azotate, componenti principali che trasportano il codice genetico nell'RNA di oggi.

Paradosso nucleobase

Lo studio ha dovuto aggirare un paradosso nell'evoluzione chimica:

Realizzare RNA o DNA utilizzando le loro attuali basi azotate in laboratorio senza l'ausilio degli enzimi delle cellule viventi che di solito svolgono questo lavoro è più di un compito titanico. Così, sebbene l'RNA e il DNA siano onnipresenti sulla Terra ora, la loro evoluzione sulla Terra prima della vita sembrerebbe essere stata un'anomalia che richiedeva convergenze irregolari di condizioni estreme.

Al contrario, Il modello di evoluzione chimica dei ricercatori della Georgia Tech sostiene che le basi azotate precursori si autoassemblano facilmente in prototipi ancestrali, che erano simili a polimeri e denominati assemblaggi, che in seguito si sono evoluti in RNA.

"Noi chiameremmo queste 'proto-nucleobasi' o 'nucleobasi ancestrali, '", ha detto Hud. "Per il nostro modello generale di evoluzione chimica, stiamo dicendo che queste proto-nucleobasi, che si autoassemblano in questi lunghi fili, avrebbe potuto essere parte di una fase molto precoce prima che venissero incorporate le basi azotate moderne."

Una delle principali proto-nucleobase sospettate in questo esperimento, e in precedenti esperimenti sulla possibile evoluzione dell'RNA, era la triaminopirimidina (TAP). L'acido cianurico (CA) era un altro. I ricercatori sospettano fortemente che TAP e CA fossero parti di un proto-RNA.

I legami chimici che tengono insieme gli assemblaggi delle due sospette proto-nucleobasi erano sorprendentemente forti ma non covalenti, che è come collegare due magneti. Nell'RNA i principali legami che tengono insieme le basi azotate moderne sono i legami covalenti, simile alla saldatura, e gli enzimi fanno quei legami nelle cellule di oggi.

bias elicoidali

Un'elica può girare a spirale in due modi, mancino o destrorso. In chimica, una molecola può anche essere consegnata, o chirale, facendo per le forme "L" o "D" della molecola.

per inciso, gli elementi costitutivi dell'RNA e del DNA odierni sono tutti la forma D, che formano un'elica destrorsa. Perché si siano evoluti in questo modo è ancora un mistero.

Lotti di TAP e CA con cui i ricercatori hanno iniziato hanno prodotto quantità approssimativamente uguali di eliche destre e sinistre, ma qualcosa si è distinto:intere regioni di un lotto erano sbilanciate in una direzione ed erano separate da altre regioni che giravano a spirale principalmente nell'altra direzione.

"La propensione delle molecole a scegliere una direzione elicoidale era così forte che vaste regioni dei lotti erano costituite prevalentemente da assemblaggi unidirezionali attorcigliati, "Ha detto Hud.

Ciò era sorprendente perché le singole molecole di TAP e CA non avevano una propria chiralità, né L né D. Eppure, i colpi di scena avevano una direzione preferita.

'record mondiale'

I ricercatori hanno aggiunto altri due esperimenti per testare quanto fortemente i loro assemblaggi simili a RNA preferissero fare eliche con una sola mano.

Primo, hanno introdotto un pizzico di composti simili a TAP e CA, ma che aveva la chiralità L o D, per spingere la direzione a spirale. L'intero lotto è conforme alla chiralità del rispettivo additivo, con conseguente torsione degli assemblaggi in una direzione unificata come fanno oggi le eliche nell'RNA e nel DNA.

"Era il nuovo record mondiale per la più piccola quantità di drogante chirale (additivo) che avrebbe ribaltato un'intera soluzione, " disse Suneesh Karunakaran, primo autore dello studio e ricercatore laureato nel laboratorio di Hud. "Questo ha dimostrato quanto sarebbe facile in natura ottenere abbondanti quantità di eliche unificate".

Secondo, mettono insieme il composto zuccherino ribosio-5-fosfato insieme a TAP per emulare più da vicino gli attuali mattoni dell'RNA. Il ribosio è andato a posto, e l'assieme risultante si muoveva a spirale in una direzione dettata dalla chiralità del ribosio.

"Questa molecola ha facilmente formato un assemblaggio simile all'RNA che era sorprendentemente stabile, anche se i pezzi erano tenuti insieme solo da legami non covalenti, " ha detto Karunakaran.

Rivoluzione evolutiva

I risultati dello studio in condizioni così semplici rappresentano un balzo in avanti nelle prove sperimentali di come la torsione elicoidale delle biomolecole avrebbe potuto essere già in atto molto prima che emergesse la vita.

La ricerca espande anche un crescente corpo di prove a sostegno di un'ipotesi non convenzionale del Center for Chemical Evolution, che dispensa dalla necessità di una narrazione secondo cui rari cataclismi e ingredienti improbabili erano necessari per produrre i primi elementi costitutivi della vita.

Anziché, la maggior parte delle biomolecole probabilmente si è formata in diversi passaggi graduali, in silenzio, pianure sterrate spazzate dalla pioggia o rocce del lago lambite dalle onde. Le molecole precursori con la giusta reattività hanno consentito prontamente questi passaggi e prodotto materiali abbondanti per ulteriori passaggi evolutivi.

Ingegnere del seminterrato

Nel laboratorio, l'autoassemblaggio dell'elica era così produttivo da superare la capacità di un dispositivo di rilevamento di esaminare l'output. Regioni di dimensioni pari o superiori a un millimetro quadrato sono state riempite con assemblaggi simili a polimeri a spirale unidirezionale.

"Per guardarli ho dovuto apportare modifiche all'attrezzatura, "disse Karunakaran. "Ho praticato dei fori in un foglio e l'ho messo davanti al raggio del nostro spettropolarimetro."

Ha funzionato ma aveva bisogno di miglioramenti, così Hud è andato nel suo seminterrato a casa per costruire uno scanner automatizzato in grado di gestire i generosi risultati dell'esperimento. Ha rivelato ampie regioni di eliche con la stessa manualità.