Le reazioni chimiche guidate dalle condizioni geologiche sulla Terra primordiale potrebbero aver portato all'evoluzione prebiotica delle molecole autoreplicanti. Gli scienziati della Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) di Monaco ora riferiscono di un meccanismo idrotermale che potrebbe aver promosso il processo.

La vita è un prodotto dell'evoluzione per selezione naturale. Questa è la lezione da portare a casa dal libro di Charles Darwin "L'origine delle specie, pubblicato oltre 150 anni fa. Ma come è iniziata la storia della vita sul nostro pianeta? Che tipo di processo avrebbe potuto portare alla formazione delle prime forme delle biomolecole che oggi conosciamo, che successivamente ha dato origine alla prima cellula? Gli scienziati credono che, sulla Terra (relativamente) giovane, gli ambienti devono essere esistiti, che erano favorevoli al prebiotico, evoluzione molecolare. Un gruppo dedicato di ricercatori è impegnato nel tentativo di definire le condizioni in cui avrebbero potuto essere fattibili i primi tentativi nell'evoluzione di molecole polimeriche complesse da semplici precursori chimici. "Per avviare l'intero processo, la chimica prebiotica deve essere inserita in un ambiente in cui un'opportuna combinazione di parametri fisici faccia prevalere uno stato di non equilibrio, " spiega il biofisico della LMU Dieter Braun. Insieme ai colleghi del Salk Institute di San Diego, lui e il suo team hanno fatto un grande passo avanti verso la definizione di tale stato. I loro ultimi esperimenti hanno dimostrato che la circolazione dell'acqua calda (fornita da una versione microscopica della Corrente del Golfo) attraverso i pori nella roccia vulcanica può stimolare la replicazione dei filamenti di RNA. Le nuove scoperte appaiono sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Come portatori di informazioni ereditarie in tutte le forme di vita conosciute, RNA e DNA sono al centro della ricerca sulle origini della vita. Entrambe sono molecole lineari composte da quattro tipi di subunità chiamate basi, ed entrambi possono essere replicati e quindi trasmessi. La sequenza delle basi codifica l'informazione genetica. Però, le proprietà chimiche dei filamenti di RNA differiscono leggermente da quelle del DNA. Mentre i filamenti di DNA si accoppiano per formare la famosa doppia elica, Le molecole di RNA possono ripiegarsi in strutture tridimensionali molto più varie e funzionalmente versatili. Infatti, molecole di RNA specificamente piegate hanno dimostrato di catalizzare reazioni chimiche sia nella provetta che nelle cellule, proprio come fanno le proteine. Questi RNA agiscono quindi come enzimi, e sono indicati come "ribozimi." La capacità di replicare e accelerare le trasformazioni chimiche ha motivato la formulazione dell'ipotesi del "mondo a RNA". Questa idea postula che, durante la prima evoluzione molecolare, Le molecole di RNA servivano sia come depositi di informazioni come il DNA, e come catalizzatori chimici. Quest'ultimo ruolo è svolto dalle proteine ​​negli organismi odierni, dove gli RNA sono sintetizzati da enzimi chiamati RNA polimerasi.

I ribozimi che possono collegare tra loro brevi filamenti di RNA e alcuni che possono replicare brevi modelli di RNA sono stati creati in laboratorio mediante mutazione e selezione darwiniana. Uno di questi ribozimi "RNA polimerasi" è stato utilizzato nel nuovo studio.

L'acquisizione della capacità di auto-replicazione dell'RNA è considerata il processo cruciale nell'evoluzione molecolare prebiotica. Al fine di simulare le condizioni in cui il processo avrebbe potuto instaurarsi, Braun e i suoi colleghi hanno organizzato un esperimento in cui una camera cilindrica di 5 mm funge da equivalente di un poro in una roccia vulcanica. Sulla Terra primitiva, rocce porose sarebbero state esposte a gradienti di temperatura naturali. I fluidi caldi che filtrano attraverso le rocce sotto il fondo del mare avrebbero incontrato acque più fredde sul fondo del mare, ad esempio. Questo spiega perché le bocche idrotermali sottomarine siano la cornice ambientale per l'origine della vita più prediletta da molti ricercatori. In piccoli pori, le variazioni di temperatura possono essere molto considerevoli, e danno luogo a correnti di scambio termico e di convezione. Queste condizioni possono essere facilmente riprodotte in laboratorio. Nel nuovo studio, il team LMU ha verificato che tali gradienti possono stimolare notevolmente la replicazione delle sequenze di RNA.

Uno dei principali problemi con lo scenario guidato dai ribozimi per la replicazione dell'RNA è che il risultato iniziale del processo è un RNA a doppio filamento. Per ottenere la replicazione ciclica, i fili devono essere separati ("fusi"), e questo richiede temperature più alte, che è probabile che dispieghino e inattivino il ribozima. Braun e colleghi hanno ora dimostrato come questo può essere evitato. "Nel nostro esperimento, il riscaldamento locale della camera di reazione crea un forte gradiente di temperatura, che crea una combinazione di convezione, termoforesi e moto browniano, " dice Braun. La convezione agita il sistema, mentre la termoforesi trasporta le molecole lungo il gradiente in modo dipendente dalle dimensioni. Il risultato è una versione microscopica di una corrente oceanica come la Corrente del Golfo. Questo è essenziale, poiché trasporta brevi molecole di RNA in regioni più calde, mentre il più grande, il ribozima sensibile al calore si accumula nelle regioni più fredde, ed è protetto dallo scioglimento. Infatti, i ricercatori sono rimasti sbalorditi nello scoprire che le molecole di ribozima si aggregavano per formare complessi più grandi, che aumenta ulteriormente la loro concentrazione nella regione più fredda. In questo modo, la vita dei ribozimi labili potrebbe essere significativamente estesa, nonostante le temperature relativamente alte. "È stata una sorpresa completa, "dice Braun.

Le lunghezze dei filamenti replicati ottenuti sono ancora relativamente limitate. Le sequenze di RNA più corte vengono duplicate in modo più efficiente rispetto a quelle più lunghe, tale che i prodotti dominanti della replicazione sono ridotti a una lunghezza minima. Quindi, vera evoluzione darwiniana, che favorisce la sintesi di filamenti di RNA progressivamente più lunghi, non si verifica in queste condizioni. "Però, sulla base dei nostri calcoli teorici, siamo fiduciosi che un'ulteriore ottimizzazione delle nostre trappole di temperatura sia fattibile, " dice Braun. Un sistema in cui il ribozima è assemblato da filamenti di RNA più corti, che può replicare separatamente, è anche una possibile via da seguire.