Biologia Molecolare

l’ipotesi del mondo ad RNA

Che cos’è l’ipotesi del mondo ad RNA? Se tornassimo indietro di 120 milioni di anni ci ritroveremmo in un mondo popolato da dinosauri. 500 milioni di anni fa vi era un mondo popolato da trilobiti ed altre strane creature marine. 3,4 miliardi di anni fa vi era il mondo delle prime cellule e se dovessimo andare ancora più indietro, gli scienziati ritengono che catene di molecole di RNA, o molecole simili, abbiano dato l’inizio alla vita come la conosciamo oggi. Questo video di Stated Clearly ci spiega questa teoria e le prove che la sostengono.

Vi sono diverse ragioni per le quali si ritiene che l’RNA abbia dato inizio alla vita: catene di RNA sono presenti in abbondanza in tutte le cellule viventi di oggi, l’RNA è chimicamente molto simile al DNA ed inoltre, con un minimo aiuto dell’uomo, l’RNA è in grado di replicarsi, evolvere ed interagire con l’ambiente che lo circonda. Molti dei dettagli sono ancora da chiarire, ma l’ipotesi del mondo ad RNA è la semplice idea che da qualche parte all’inizio del nostro pianeta, forse in una pozzanghera o in una sorgente calda, la chimica della Terra fosse in grado di produrre catene di RNA dalla sequenza casuale. Una volta formate queste catene avrebbero iniziato a replicarsi, evolvere e competere le une con le altre per la loro sopravvivenza. Durante questa maratona evolutiva, alcune catene di RNA avrebbero infine cominciato a cooperare nella produzione del codice genetico, una quantità elevata di proteine e perfino cellule viventi. Queste, dal punto di vista delle molecole di RNA potrebbero anche essere considerate come case o macchinari utili alla loro sopravvivenza nelle quali l’RNA può vivere.

Per comprendere come le catene di RNA possano interagire con il loro ambiente, replicarsi ed evolvere dobbiamo prima capire il semplice procedimento dell’accoppiamento delle basi. L’RNA è costituito da catene di nucleotidi: piccole molecole che esistono grossomodo in 4 varianti: A, C, G e U. Gli atomi che costituiscono la spina dorsale di un nucleotide, rappresentati con una barra gialla, possono formare forti legami chimici con la loro controparte di qualsiasi altri nucleotidi. Pertanto, catene diverse possono avere sequenze di nucleotidi completamente diverse. Le parti dei nucleotidi chiamate basi sono 4: adenina (A), citosina (C), guanina (G) ed uracile (U). Queste sono attratte ad altre basi come dei magneti, ma sono molto selettive. G si accoppia con C e A si accoppia con U. Il processo che porta le basi a trovare le loro controparti ed unirsi tra di loro è l’accoppiamento delle basi. I ricercatori hanno scoperto che con un minimo di assistenza, le catene di RNA sono in grado di autoriprodursi ed evolvere.

Ecco come avviene: quando una lunga catena di RNA è in una soluzione fredda contenente alte concentrazioni di nucleotidi, la catena stessa può funzionare come uno stampo per la sua stessa replica. I nucleotidi si accoppiano spontaneamente alla loro controparte. Se a questo punto gli atomi delle loro spine dorsali si uniscono chimicamente tra di loro, la parte di procedimento che richiede ancora l’intervento dei ricercatori e che ancora non sappiamo come sarebbe avvenuto in natura, si forma una catena complementare di RNA, che possiede l’esatta sequenza inversa della catena originale. All’aumento della temperatura dell’acqua le due catene si dividono, permettendo ad entrambe le catene di funzionare da stampi per un altro ciclo di replicazione. Normalmente questo procedimento porterebbe alla continua riproduzione della catena originale, tuttavia possono avvenire mutazioni in questo procedimento, errori di scrittura nella sequenza di nucleotidi. Questo implica che catene di RNA possono competere per la loro sopravvivenza e riproduzione attraverso l’evoluzione, che viene ereditata da mutazione sulle quali agisce la selezione.

Per quanto impressionante sia la replicazione dell’RNA, l’accoppiamento delle basi nasconde un’altra abilità importante. Quando l’RNA è in una soluzione fredda abbastanza da consentire l’accoppiamento delle basi, ma con concentrazioni di nucleotidi liberi non sufficienti alla replicazione, le catene si ripiegano su di loro facendo accoppiamento di basi tra nucleotidi della stessa catena quando possibile. Il risultato è quello di strutture complesse dove alcune basi sono rivolte verso l’esterno, non essendo state in grado di trovare la loro controparte. Queste basi possono attrarre altre molecole e causare reazioni chimiche uniche. Una catena di RNA capace di guidare una particolare reazione chimica prende il nome di ribozima. Alcuni ribozimi sono in grado di rompere altre molecole, mentre altri uniscono molecole assieme. La specifica funzione di un ribozima è determinata dalla sua forma specifica che a sua volta dipende dalla sua sequenza di nucleotidi. Se una mutazione cambia la sequenza di un ribozima la sua forma viene modificata e così anche la sua funzione.

Quando vennero scoperti i ribozimi gli scienziati si chiesero quanto difficile sarebbe per una catena casuale di RNA di evolvere legittime capacità di sopravvivenza. Immaginate un ribozima in grado di creare nucleotidi dalle molecole presenti nell’ambiente intorno a lui: col passare di molte generazioni (replicazioni), la selezione naturale potrebbe raffinare quest’abilità dato il chiaro vantaggio a replicarsi che avrebbero queste catene di RNA, trovandosi sempre in un ambiente ricco di nucleotidi liberi, rispetto ad altre catene di RNA rivali. Al fine di esplorare quest’idea, alcuni ricercatori della Simon Fraser University hanno prodotto un grande numero di catene di RNA con sequenze casuali e le hanno analizzate per la loro eventuale capacità di produrre nucleotidi. Sorprendentemente alcune di queste catene ne erano capaci, ma con efficienza alquanto bassa. Selezionando le catene di RNA in grado di produrre nucleotidi ed utilizzando la tecnica della PCR (reazione di polimerizzazione a catena) hanno duplicato queste catene inserendo alcune mutazioni casuali.

Dopo soli 10 cicli di PCR, seguiti da un’adeguata selezione per le catene in grado di produrre enzimi, si erano evoluti ribozimi in grado di produrre nucleotidi ad alta efficienza. Si tratta di molecole che possiedono la capacità di partecipare attivamente alla loro propria sopravvivenza tipica del dominio della vita. Questi ribozimi e molti altri prodotti in esperimenti simili, stanno cominciando a rendere meno chiara la linea che separa il vivente dalla semplice chimica. Per concludere, l’ipotesi del mondo ad RNA è la semplice idea per la quale la prima entità in grado di riprodursi ed evolvere nel nostro pianeta potrebbero essere state le catene di RNA, o qualche molecola simile. Mentre questa idea di base sembra proporre basi promettenti per lo studio dell’origine della vita, si tratta ancora di un lavoro incompleto. Come già menzionato, una delle questioni più importanti che si deve risolvere è come in natura riuscisse ad avvenire il legame delle spine dorsali dei nucleotidi tra di loro, senza l’uso di enzimi e delle tecniche da laboratorio che usiamo oggi. Mentre molti ricercatori continuano a concentrare i loro sforzi sull’RNA, altri stano esplorando altre strade alternative: sistemi di molecole in che sarebbero stati in grado di riprodursi ed evolvere senza assistenza e che avrebbero poi potuto dare origine all’RNA. Si tratta di temi di ricerca che continuano a portare nuove ed interessanti scoperte.

Per approfondire l’argomento potete leggere l’articolo correlato sulla rivista Nature. Inoltre grazie al videogioco EteRNA, potete anche voi sperimentare come le catene di RNA possono assumere forme diverse in base alla loro sequenza