I chimici di Scripps Research hanno fatto una scoperta che supporta una nuova visione sorprendente di come la vita ha avuto origine sul nostro pianeta.

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 sorgesse la vita, potrebbe aver unito chimicamente minuscoli blocchi di DNA chiamati deossinucleosidi in filamenti di DNA primordiale.

Il ritrovamento è l'ultimo di una serie di scoperte, negli ultimi anni, indicando la possibilità che il DNA e il suo stretto cugino chimico RNA siano sorti insieme come prodotti di reazioni chimiche simili, e che le prime molecole autoreplicanti - le prime forme di vita sulla Terra - erano un mix delle due.

La scoperta potrebbe anche portare a nuove applicazioni pratiche in chimica e biologia, ma il suo significato principale è che affronta l'annosa questione di come sia nata la vita sulla Terra. In particolare, apre la strada a studi più estesi su come le miscele di DNA-RNA autoreplicanti potrebbero essersi evolute e diffuse sulla Terra primordiale e alla fine hanno seminato la biologia più matura degli organismi moderni.

"Questa scoperta è un passo importante verso lo sviluppo di un modello chimico dettagliato di come si sono originate le prime forme di vita sulla Terra, ", afferma l'autore senior dello studio Ramanarayanan Krishnamurthy, dottorato di ricerca, professore associato di chimica presso Scripps Research.

La scoperta allontana anche il campo della chimica dell'origine della vita dall'ipotesi che l'ha dominato negli ultimi decenni:l'ipotesi del "mondo a RNA" postula che i primi replicatori fossero basati sull'RNA, e quel DNA è sorto solo più tardi come prodotto di forme di vita a RNA.

L'RNA è troppo appiccicoso?

Krishnamurthy e altri hanno dubitato dell'ipotesi del mondo a RNA in parte perché le molecole di RNA potrebbero essere state semplicemente troppo "appiccicose" per fungere da primi autoreplicanti.

Un filamento di RNA può attrarre altri singoli elementi costitutivi dell'RNA, che si attaccano ad esso per formare una sorta di filone speculare:ogni elemento costitutivo del nuovo filo si lega al suo elemento costitutivo complementare sull'originale, filo "modello". Se il nuovo filo può staccarsi dal filo modello, e, con lo stesso procedimento, inizia a modellare altri nuovi filoni, allora ha raggiunto l'impresa di autoreplicazione che sta 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 fili. Gli organismi moderni producono enzimi in grado di costringere i filamenti gemellati di RNA, o DNA, a seguire strade separate, consentendo così la replica, ma non è chiaro come ciò avrebbe potuto essere 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 potrebbero essere stati in grado di aggirare questo problema, perché possono modellare i fili complementari in un modo meno appiccicoso che consente loro di separarsi relativamente facilmente.

I chimici hanno anche dimostrato in articoli ampiamente citati negli ultimi anni che i semplici elementi costitutivi del ribonucleoside e del deossinucleoside, rispettivamente di RNA e DNA, potrebbe essere sorto in condizioni chimiche molto simili sulla Terra primordiale.

Inoltre, nel 2017 hanno riferito che il composto organico DAP avrebbe potuto svolgere il ruolo cruciale di modificare i ribonucleosidi e di metterli 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 trovato, con nostra sorpresa, che l'uso di DAP per reagire 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 vero DNA, " dice il primo autore Eddy Jiménez, dottorato di ricerca, un associato di ricerca post-dottorato nel laboratorio Krishnamurthy.

"Ora che abbiamo capito meglio come una chimica primordiale avrebbe potuto creare i primi RNA e DNA, possiamo iniziare a usarlo su miscele di ribonucleosidi e deossinucleosidi per vedere quali molecole chimeriche si formano e se possono auto-replicarsi ed evolversi, " dice Krishnamurthy.

Nota che il lavoro può anche avere ampie applicazioni pratiche. La sintesi artificiale di DNA e RNA, ad esempio nella tecnica "PCR" che sta alla base dei test COVID-19, rappresenta un vasto business globale, ma dipende da enzimi che sono relativamente fragili e quindi hanno molte limitazioni. Robusto, metodi chimici privi di enzimi per produrre DNA e RNA possono risultare più attraenti in molti contesti, dice Krishnamurthy.