La biologia codifica le informazioni nel DNA e nell'RNA, che sono molecole complesse finemente sintonizzate sulle loro funzioni. Ma sono l'unico modo per memorizzare informazioni molecolari ereditarie? Alcuni scienziati credono che la vita come la conosciamo non sarebbe potuta esistere prima che esistessero gli acidi nucleici. Così, capire come sono nate sulla Terra primitiva è un obiettivo fondamentale della ricerca di base.

Il ruolo centrale degli acidi nucleici nel flusso di informazioni biologiche li rende anche bersagli chiave per la ricerca farmaceutica, e molecole sintetiche che imitano gli acidi nucleici costituiscono la base di molti trattamenti per le malattie virali, compreso l'HIV. Sono noti altri polimeri simili agli acidi nucleici, tuttavia molto rimane sconosciuto riguardo alle possibili alternative per l'archiviazione delle informazioni ereditarie. Utilizzando sofisticati metodi di calcolo, scienziati dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology, il Centro aerospaziale tedesco (DLR) e la Emory University hanno esplorato il "vicinato chimico" degli analoghi dell'acido nucleico. Sorprendentemente, hanno trovato ben oltre 1 milione di varianti, suggerendo un vasto, universo inesplorato della chimica rilevante per la farmacologia, biochimica e sforzi per comprendere le origini della vita. Le molecole rivelate da questo studio potrebbero essere ulteriormente modificate per produrre centinaia di milioni di potenziali lead di farmaci.

Gli acidi nucleici furono identificati per la prima volta nel XIX secolo, ma la loro composizione, il ruolo e la funzione biologica non sono stati compresi dagli scienziati fino al 20esimo secolo. La scoperta della struttura a doppia elica del DNA da parte di Watson e Crick nel 1953 ha rivelato una semplice spiegazione per le funzioni biologiche ed evolutive. Tutti gli esseri viventi sulla Terra immagazzinano informazioni nel DNA, che consiste di due fili di polimero avvolti l'uno intorno all'altro come un caduceo, con ogni filo che completa l'altro. Quando i fili sono separati, copiando il complemento su uno dei modelli si ottengono due copie dell'originale. Il polimero del DNA stesso è composto da una sequenza di "lettere, " le basi adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T), e gli organismi viventi hanno evoluto modi per assicurarsi che la sequenza appropriata di lettere sia quasi sempre riprodotta durante la copiatura del DNA. La sequenza delle basi viene copiata nell'RNA dalle proteine, che viene poi letto in una sequenza proteica. Le proteine ​​stesse consentono una moltitudine di processi chimici finemente sintonizzati che rendono possibile la vita.

Occasionalmente si verificano piccoli errori durante la copiatura del DNA, e altri sono talvolta introdotti da mutageni ambientali. Questi piccoli errori sono il foraggio per la selezione naturale:alcuni di questi errori si traducono in sequenze che producono organismi più adatti, sebbene la maggior parte abbia scarso effetto; però, molti possono rivelarsi letali. La capacità di nuove sequenze di favorire la sopravvivenza dell'ospite è il "cricchetto" che consente alla biologia di adattarsi alle sfide in continua evoluzione dell'ambiente. Questa è la ragione alla base del caleidoscopio di forme biologiche sulla Terra, dagli umili batteri alle tigri:le informazioni immagazzinate negli acidi nucleici consentono la "memoria" in biologia. Ma DNA e RNA sono l'unico modo per memorizzare queste informazioni? O sono forse solo il modo migliore, scoperto solo dopo milioni di anni di armeggiare evolutivo?

"Ci sono due tipi di acidi nucleici in biologia, e forse 20 o 30 analoghi di acido nucleico leganti l'acido nucleico efficaci. Volevamo sapere se ce n'è uno in più da trovare o anche un milione in più. La risposta è, sembra che ce ne siano molti di più di quanto ci si aspettasse, " dice il professor Jim Cleaves di ELSI.

Sebbene i biologi non li considerino organismi, i virus utilizzano anche gli acidi nucleici per memorizzare le loro informazioni ereditabili, sebbene alcuni virus utilizzino l'RNA, una leggera variante sul DNA, come loro sistema di immagazzinamento molecolare. L'RNA differisce dal DNA per la presenza di un singolo atomo di sostituzione, ma nel complesso, L'RNA segue regole molecolari molto simili a quelle del DNA. La cosa notevole è che queste due molecole sono essenzialmente le uniche utilizzate tra l'incredibile varietà di organismi sulla Terra.

Biologi e chimici si sono a lungo chiesti perché questo dovrebbe essere. Sono queste le uniche molecole che potrebbero svolgere questa funzione? Altrimenti, sono forse i migliori? Altre molecole hanno giocato un tempo questo ruolo durante l'evoluzione che sono state successivamente selezionate per l'estinzione?

L'importanza centrale degli acidi nucleici in biologia li ha resi a lungo anche bersagli farmacologici per i chimici. Se un farmaco può inibire la capacità di un organismo o di un virus di produrre una prole altrettanto infettiva, uccide efficacemente gli organismi o il virus. Eliminare l'ereditarietà di un organismo o di un virus è un ottimo modo per metterlo al tappeto. Fortunatamente, il macchinario cellulare che gestisce la copiatura degli acidi nucleici in ciascun organismo è leggermente diverso, e nei virus, spesso molto diverso.

Organismi con genomi di grandi dimensioni, come gli umani, devono stare molto attenti a copiare le loro informazioni ereditarie, e quindi sono molto selettivi nell'evitare i precursori sbagliati quando copiano i loro acidi nucleici. Al contrario, virus, che generalmente hanno genomi molto più piccoli, sono molto più tolleranti nell'usare molecole simili ma leggermente diverse per copiare se stesse. Ciò significa sostanze chimiche simili ai mattoni degli acidi nucleici, noti come nucleotidi, a volte può compromettere la biochimica di un organismo più di un altro. La maggior parte dei farmaci antivirali importanti utilizzati oggi sono nucleotidi o analoghi nucleosidici, compresi quelli usati per trattare l'HIV, herpes ed epatite virale. Molti importanti farmaci antitumorali sono anche nucleotidi o analoghi nucleosidici, poiché le cellule tumorali a volte hanno mutazioni che le fanno copiare gli acidi nucleici in modi insoliti.

"Cercando di capire la natura dell'ereditarietà, e come altro potrebbe essere incarnato, è solo la ricerca più elementare che si possa fare, ma ha anche alcune applicazioni pratiche davvero importanti, " dice il coautore Chris Butch, ex ELSI e ora professore all'Università di Nanchino.

Poiché la maggior parte degli scienziati crede che la base della biologia sia l'informazione ereditabile, senza la quale la selezione naturale sarebbe impossibile, gli scienziati evoluzionisti che studiano le origini della vita si sono anche concentrati sui modi per produrre DNA o RNA da semplici sostanze chimiche che potrebbero essersi verificate spontaneamente sulla Terra primitiva. La maggior parte degli scienziati pensa che l'RNA si sia evoluto prima del DNA per sottili ragioni chimiche. Il DNA è quindi molto più stabile dell'RNA, e il DNA è diventato l'hard disk della vita. Però, la ricerca degli anni '60 presto divise in due il campo delle origini teoriche:coloro che vedevano nell'RNA la semplice risposta del "rasoio di Occam" al problema delle origini della biologia e coloro che vedevano i molti nodi nell'armatura della sintesi abiologica dell'RNA. L'RNA è ancora una molecola complicata, ed è possibile che molecole strutturalmente più semplici avrebbero potuto servire al suo posto prima che sorgesse.

Co-autore Dr. Jay Goodwin, un chimico della Emory University dice, "È davvero eccitante considerare il potenziale di sistemi genetici alternativi basati su questi nucleosidi analoghi, che questi potrebbero essere emersi ed essersi evoluti in ambienti diversi, forse anche su altri pianeti o lune all'interno del nostro sistema solare. Questi sistemi genetici alternativi potrebbero espandere la nostra concezione del "dogma centrale" della biologia in nuove direzioni evolutive, in risposta e robusto ad ambienti sempre più difficili qui sulla Terra."

Quale molecola è venuta prima? Cosa rende unici l'RNA e il DNA? È difficile esplorare domande così basilari realizzando fisicamente molecole in laboratorio. D'altra parte, calcolare le molecole prima di realizzarle potrebbe potenzialmente far risparmiare molto tempo ai chimici. "Siamo rimasti sorpresi dal risultato di questo calcolo, ", afferma il co-autore Dr. Markus Meringer. "Sarebbe molto difficile stimare a priori che ci siano più di un milione di scaffold di acidi nucleici. Ora sappiamo, e possiamo iniziare a testare alcuni di questi in laboratorio".

"È assolutamente affascinante pensare che utilizzando moderne tecniche computazionali, potremmo imbatterci in nuovi farmaci durante la ricerca di molecole alternative al DNA e all'RNA in grado di memorizzare informazioni ereditarie. Sono studi interdisciplinari come questo che rendono la scienza stimolante e divertente ma anche di grande impatto, " dice il co-autore Dr. Pieter Burger, anche della Emory University.