Si pensa che l'evoluzione delle cellule e degli organismi sia stata preceduta da una fase in cui le molecole informative come il DNA potrebbero essere replicate selettivamente. Un nuovo lavoro mostra che le strutture a forcina producono replicatori di DNA particolarmente efficaci.

Nel metabolismo di tutti gli organismi viventi c'è una chiara divisione del lavoro:gli acidi nucleici (DNA e RNA) trasportano le informazioni per la sintesi delle proteine, e proteine ​​forniscono le funzioni strutturali ed esecutive richieste dalle cellule, come la catalisi controllata e specifica di reazioni chimiche da parte di enzimi. Però, negli ultimi decenni, è diventato chiaro che questa distinzione non è affatto assoluta. In particolare, l'RNA è in grado di ignorare il confine sopra delineato ed è noto per svolgere un ruolo catalitico in molti processi importanti. Per esempio, alcune molecole di RNA possono catalizzare la replicazione di altri acidi nucleici, e questa versatilità potrebbe aiutare a spiegare come ha avuto origine la vita sulla Terra.

Le molecole di acido nucleico sono costituite da subunità chiamate nucleotidi, che differiscono nelle loro cosiddette basi. Le basi trovate nell'RNA sono indicate come A, C, G e U (il DNA usa T al posto di U). Queste basi si dividono in due coppie complementari, i cui membri interagiscono specificamente, A con T (o U) e G con C. Questa complementarità è ciò che spiega la stabilità della doppia elica del DNA, e consente a singoli filamenti di RNA di piegarsi in forme complesse.

Si pensa che la vita sia emersa da un processo di evoluzione chimica in cui le sequenze di acidi nucleici potrebbero essere replicate selettivamente. Così, nei sistemi prebiotici alcune "specie" molecolari che trasportavano informazioni venivano riprodotte a spese di altre. Nei sistemi biologici, tale selettività è normalmente mediata dai cosiddetti primer, filamenti di acido nucleico che si accoppiano (come descritto sopra) con parte della molecola da replicare, formare una doppia elica corta. Il primer fornisce un punto di partenza per l'estensione della regione a doppio filamento per formare un nuovo filamento figlio. Inoltre, questo processo può essere ricostruito in provetta.

I pro e i contro dei replicatori a forcina

Georg Urtel e Thomas Rind, che sono membri del gruppo di ricerca guidato da Dieter Braun (Professor of Systems Biophysics presso LMU), hanno utilizzato un tale sistema per identificare proprietà che potrebbero favorire la replicazione selettiva delle molecole di DNA. Per i loro esperimenti, hanno scelto una sequenza di DNA a singolo filamento che adotta una cosiddetta struttura a forcina. In queste molecole, le sequenze di basi alle due estremità sono complementari tra loro, così come brevi tratti di sequenza all'interno del resto della molecola. Questa distribuzione di sequenze complementari fa sì che tale filamento si pieghi in una conformazione simile a una forcina.

Grazie alle regole di abbinamento sopra descritte, la replicazione di un singolo filamento di DNA produce un secondo filamento la cui sequenza differisce da quella del primo. Ogni filamento di una struttura non a forcina ha quindi bisogno del proprio primer per la replica. Ma con le forcine, un primer è sufficiente per innescare la sintesi sia del filamento originale che di quello complementare. "Ciò significa che le forcine sono replicatori relativamente semplici, " sottolinea Georg Urtel. Lo svantaggio è che la struttura a forcina rende più difficile la legatura del primer, e questo a sua volta limita il loro tasso di replica. Le specie molecolari prive di strutture a forcina non hanno questo problema.

La cooperazione batte la concorrenza

In esperimenti successivi i ricercatori hanno scoperto che due semplici specie di forcine potrebbero cooperare per dare origine a un replicatore molto più efficiente, che richiede due primer per la sua amplificazione. Le due specie di forcine selezionate richiedevano ciascuna un primer diverso, ma le loro sequenze erano in parte identiche. Il passaggio alla replica cooperativa si verifica quando la replica di uno dei tornanti si blocca. "Di regola, i processi di replicazione in natura non sono mai perfetti, " dice Dieter Braun. "Un tale arresto prematuro non è qualcosa che si deve progettare nel sistema. Succede stocasticamente e ne facciamo uso nei nostri esperimenti." Il barattolo a forcina parzialmente replicato, però, si legano a una molecola della seconda specie, e funge da primer che può essere ulteriormente allungato. Inoltre, il prodotto risultante non forma più una forcina. In altre parole, rappresenta una nuova specie molecolare.

Salvato dall'estinzione

Tali cosiddetti "incroci" necessitano di due primer per la loro replicazione, ma possono comunque essere replicati significativamente più velocemente di entrambi i loro progenitori a forcina Per ulteriori esperimenti hanno dimostrato che, alla diluizione seriale della popolazione, i DNA delle forcine si estinguono presto. Però, le informazioni sulla sequenza che contenevano sopravvivono negli incroci e possono essere replicate ulteriormente.

L'esperimento inverso ha confermato che le informazioni sono effettivamente conservate:se gli incroci sono forniti con un solo primer, le corrispondenti specie di tornanti progenitrici possono ancora essere replicate mediante il tipo di processo di commutazione sopra menzionato. Ma, in assenza del secondo primer, l'incrocio si estingue. "Così, il processo di incrocio non prevede solo il passaggio da replicatori "semplici e lenti" a replicatori più rapidi, consente inoltre al sistema di adattarsi alle condizioni prevalenti, "Spiega Urtel. "Suggerisce anche come i primi replicatori avrebbero potuto cooperare tra loro in condizioni prebiotiche prima dell'origine dei sistemi viventi".