Chimica prebiologica
L'anello mancante tra le molecole e la vita
Parte 2: Il mondo a RNA
Daniele Dondi
Dipartimento di Chimica dell’Università di Pavia
Laboratorio di chimica delle radiazioni
Email: [email protected]
Web: https://sites.google.com/site/radchemlab/
Dai “mattoni prebiotici”
alle strutture complesse della vita
Aminoacidi
basi azotate
zuccheri
?
POLIMERIZZAZIONE
Proteine
DNA, RNA
Nella parte precedente abbiamo visto come sia
possibile creare in condizioni ‘prebiotiche’ le
molecole fondamentali della vita: aminoacidi,
zuccheri e basi azotate.
Questi studi mostrano sempre delle lacune (ad
esempio la necessaria separazione degli ambienti
di reazione).
Inoltre appare più semplice la polimerizzazione
degli aminoacidi rispetto a quella delle basi
azotate.
Per avere un sistema che evolve verso una
complessità crescente è indispensabile avere
un meccanismo di replicazione
(autoreplicazione).
In questo modo si assicura una conservazione
dell’informazione.
Il livello di complessità raggiungibile dipende
fortemente dalla fedeltà nella riproduzione.
Questa non deve essere né troppo bassa (in
tal caso l’informazione verrebbe persa) né
troppo alta (non si avrebbe evoluzione).
Per un sistema evolutivo, per questioni
energetiche e termodinamiche, è necessario
ricevere continuamente dall’ambiente energia e
materia da trasformare.
Prigogine identifica queste strutture col termine di
strutture dissipative.
Per questo lavoro ricevette nel 1977 il premio
Nobel per la chimica.
É nato prima l’uovo o la gallina?
DNA
RNA
Proteine
Il senso comune ci spinge a pensare che uno di questi
sistemi si sia sviluppato per primo.
Thomas Cech
Sidney Altman
Alcuni tipi di RNA possono fungere da enzimi
verso se stessi, tagliandosi in due e
ricucendosi nuovamente
1986 Walter Gilbert introduce il termine
“mondo a RNA”
Brachet 1959; Woese 1967; Crick 1968;
Orgel 1968; White 1976; Pace and Marsh
1985; Sharp 1985; Alberts 1986; Gilbert
1986; Cech 1986; Lewin 1986; Weiner and
Maizels 1987; Benner et al. 1989; Gibson
and Lamond 1990; Joyce 1989, 1991;
Kenneth and Ellington 1995...
Informazione
Catalisi
Leslie Orgel
Quando la catena cresce, è possibile che
l’autocomplementarietà
ripieghi
la
molecola su se stessa formando delle
‘anse’.
Questo meccanismo solitamente porta a
RNA
con
caratteristiche
catalitiche
‘interessanti’.
…
Separazione catena
principale e
complementare
Ripiegamento
La catena
complementare segue
un ciclo analogo
Dal punto di vista energetico, è necessaria
energia per ‘srotolare’ l’RNA e per separare la
catena principale dalla sua complementare.
È quindi evidente che, per compiere un ciclo di
replicazione, abbiamo bisogno di ENERGIA.
L’unico modo di disporre di energia è quella di
sfruttare il metabolismo (che in questo modello
sembra di secondaria importanza)
Problemi irrisolti
Limitata concentrazione di basi azotate nel
brodo primordiale, presenza di analoghi di basi
azotate (isomeri) che possono interferire
Problema del ribosio
Problema del fosforo
Problema dell’instabilità
Sostituti del ribosio
Alcuni sono capaci di accoppiare DNA e RNA
Eschenmoser
Anche legami peptidici possono rimpiazzare il ribosio
(PNA achirali) e accoppiare DNA e RNA (Nielsen)
HO
O
T
A
NH 2
O
-
O P O
HO O
O
N
OH
O
NH
O
G
C
O
O
N
O
O
C
G
NH
O
O P O
HO O
O
N
O
NH
T
N
PNA
-
O P O
HO O
A
O
OH
O
CONH2
RNA
Critiche e riflessioni
Il mondo a RNA dovrebbe aver interagito molto
presto con aminoacidi e proteine, e forse, come
PURO mondo a RNA, non è mai esistito.
Se il mondo a RNA si fosse autosostenuto, sarebbe
difficile spiegare perché l’evoluzione abbia
introdotto solo dopo le proteine
Critiche e riflessioni
Come supporto all’ipotesi ‘mondo a RNA’ c’è l’osservazione che il ribosoma
batterico 50S contiene parti cataliticamente attive costituite da RNA
Informazione
Catalisi
Peptide World
Secondo questa ipotesi, le proteine avrebbero catalizzato
efficientemente le reazioni metaboliche.
RNA e derivati sarebbero degli ‘scarti metabolici’, divenuti in
seguito importanti per la conservazione di informazioni.
Per contro, a parte casi artificiali particolari, sembrerebbe
che le proteine non possano replicarsi per stampo diretto,
quindi necessitano di un meccanismo di replicazione.
Sono stati proposti diversi meccanismi di
possibile replicazione, ma non hanno avuto
diretti riscontri sperimentali.
Per molti il Peptide World
rappresenterebbe solo un mondo di
passaggio per il successivo RNA World.
Come se non bastasse, ci sono anche i sostenitori del
mondo a lipidi o Lipid World (Doron Lancet)
I lipidi
(fosfolipidi)
costituiscono le
membrane
cellulari.
In questo modo
creano dei
compartimenti.
Questi
compartimenti
potrebbero
sostenere
differenti
ambienti
prebiotici.
Si ipotizza quindi la formazione di lipidi con
proprietà catalitiche
Micelle autoreplicanti
Szostak
Sorprendentemente, il ‘Sacro Graal’ del metabolismo, ovvero il ciclo di
Krebs, è possibile ottenerlo in condizioni prebiotiche (almeno in parte)
NON utilizzando RNA o proteine ma…
Minerali e luce!
Probabilmente
il
problema
dell’evoluzione
prebiotica è un cosiddetto problema di complessità
irriducibile, in cui non si possono considerare
separatamente i contributi delle singole parti
(proteine, RNA, lipidi…).
Darwinismo molecolare
Spiegelmann
Isolamento della Qb replicasi, enzima in grado di duplicare
RNA a partire dalle basi trifosfate.
RNA stampo
Qb
Basi azotate
attivate
incubazione
Basi azotate
attivate
Qb
Darwinismo molecolare
Con questo sistema, aggiungendo opportuni reagenti o stimoli, è
possibile selezionare e creare dell’RNA a partire da uno stampo.
L’RNA prodotto dopo alcuni cicli è quello che si adatta meglio agli
stimoli.
Incubando sequenzialmente l’RNA sintetizzato, a
partire da RNA complessi senza stimoli aggiuntivi,
dopo qualche ciclo si otteneva solo un RNA dalla
lunghezza di 220 basi. Questo frammento, generato
da errori casuali, era in grado di duplicarsi più
velocemente degli altri.
Con molta sorpresa, ripetendo l’esperimento ma
diminuendo la quantità di RNA stampo fino alla
presenza dei soli monomeri, si può generare RNA
ex novo. La sequenza di 220 basi è uno dei
possibili risultati ma ne sono stati isolati altri
variando le condizioni sperimentali.


X
X
Sebbene questo esempio non sia applicabile
alla chimica prebiotica (per l’uso di un enzima
già altamente perfezionato) è il primo esempio
che mostra come l’evoluzione agisca anche a
livello molecolare.
Attualmente, la chimica moderna sta iniziando
a muovere i primi passi verso l’utilizzo di
tecniche di evoluzione molecolare (soprattutto
per la ricerca di nuovi farmaci).
Self-replication
La capacità di dividersi e duplicarsi, ossia il processo di autoreplicazione, è alla base della sopravvivenza di tutti i sistemi viventi.
Una molecola si definisce “auto-replicante” se è in grado di
catalizzare la sua stessa sintesi.
A differenza di altri cicli auto-catalitici, i sistemi auto-replicanti
operano una catalisi specifica e dunque minimizzano (o nel caso
ideale eliminano) i prodotti di altre reazioni.
Inoltre, in un sistema autoreplicante
ideale,
la
concentrazione di prodotto T
deve crescere esponenzialmente
nel tempo. E’ quindi necessario
che il complesso binario [T•T] si
dissoci, restituendo così due
nuovi T alla miscela di reazione.
Philp D. et al., Chem. Soc. Rev., 2000, 29, 141-152
“Self-replicating systems” basati su acidi nucleici
Esadeossiribonucleotide
palindromo
Conversione del 12%
dopo 4 giorni.
Dimerizzazione dei
singoli componenti.
Sistema non autocatalitico.
von Kiedrowski G. et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1986, 25, 932
“Self-replicating systems” basati su acidi nucleici II
Le molecole di RNA sono attivate tramite fosforilazione
G. Joyce, Science, 2009
“Self-replicating systems” basati su proteine
Ghadiri, M. R. et al., Nature, 2001, 409, 797-801
Risultati ottenuti dal nostro gruppo di ricerca:
•Irraggiamento UV di miscele di composti organici semplici  precursori aminoacidi
•Irraggiamento con raggi gamma di composti organici semplici (alcuni presenti nelle
comete)  aminoacidi, basi azotate
•Effetto fotocatalitico dell’acqua di mare in condizione prebiologiche
•Studio di meccanismi di reazione anche per via teorica (computazionale)
Ringraziamenti
Dott. Dichiarante Valentina
Dott. Merli Daniele
Dott. Protti Stefano
Dott. Alberto Zeffiro