Ipotesi sull’Origine della Vita sulla Terra Enzo Gallori Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Firenze Erwin Schrödinger “What is Life ?”, 1944 Il Principio Centrale della Biologia Replicazione Trascrizione Genotipo Traduzione Fenotipo Definizione di Vita della NASA: “Life is a system able to self-maintain + self-replicate, and capable of undergoing Darwinian evolution” La presenza di un sistema genetico è assolutamente essenziale. Gli Acidi Nucleici (DNA, RNA) come sedi dell’informazione biologica A=T G C A T G C T A C G DNA “significato biologico” Il Paradosso dell’Uovo e della Gallina F.Crick, L. Orgel, C. Woese (1968) RNA ancestrale T. Cech & R. Altman (’80) Ribozimi: Molecole di RNA con attività catalitica W. Gilbert (1986): “RNA World” Il ruolo dell’RNA nei processi biologici • Ribozimi naturali. • Materiale ereditario di molti virus. “The Colossal Enzyme” T.A. Steitz • Coinvolgimento nel funzionamento del Ribosoma (sintesi proteica). Struttura del Ribosoma Evoluzione della struttura del 23S rRNA Bokov & Steinberg (2009), Nature, 457 La transizione dall’ RNA World al DNA World L’evoluzione molecolare Formazione della terra 4.5 Chimica Prebiotica 4.0 Prime forme di vita (DNA / proteine)? 3.5 Diversificazione della vita 3.0 La comparsa di un polimero simile agli Acidi Nucleici capace di evolvere attraverso i processi della Replicazione, Mutazione, e Selezione naturale segna lo “spartiacque” fra la chimica prebiotica e “l’inizio della vita”. Il problema dell’Origine della Vita viene a coincidere con l’origine di un sistema genetico, capace di trasmettere l’informazione e di replicare un programma in continua evoluzione “Building code” • Sintesi ed accumulo dei precursori (nucleotidi) • Polimerizzazione dei monomeri (Acidi Nucleici) • Protezione - Persistenza • Espressione della “potenzialità biologica” delle molecole informative Alexander I. Oparin “Proiskhozhdenie zhizny” (“L’Origine della Vita”) 1924 Terra Primordiale “L’Atmosfera Primitiva” Idrogeno H2 Ammoniaca NH3 Metano CH4 Anidride Carbonica CO2 Azoto N2 Vapor d’Acqua H2O Mancanza di Ossigeno Molecolare O2 Quindi mancanza della fascia d’Ozono Chimica Prebiotica Gas presenti nell’atmosfera primordiale + Energia (Calore, radiazioni) Precursori delle molecole biologiche Pioggia → Oceani primordiali Ipotesi di Oparin-Haldane (~ 1930) “Brodo Caldo Diluito” Stanley Miller (1953) Polimerizzazione dei precursori In soluzione acquosa (oceano primordiale) non si ha polimerizzazione bensì idrolisi! Looking for alternative suitable environments The Mineral Environment Vita nei fondali oceanici “Lost City” The “Clay Honeycomb” “. . . Le argille o altri minerali furono necessari per: 1) Concentrare i prodotti presenti nel brodo caldo primordiale; 2) Proteggere questi prodotti dalla distruzione dovuta a raggi U.V.; 3) Catalizzare la polimerizzazione di questi composti fino ad ottenere molecole più complesse . . . ” J.D. Bernal (1951) Synthesis of building blocks Formation of sugar-phosphates in the presence of mineral particles, Pitsch et al., OLEB (1995) Stabilization of ribose in the presence of borate minerals, Ricardo et al., Science (2004) Synthesis of Nucleobases by Formamide in the Presence of Montmorillonite, Saladino et al., ChemBioChem (2004) Polymerization of precursors Clay minerals catalyze the formation of oligonucleotides up to 50-mer long Ertem and Ferris Nature (1996); Ferris et al. Nature (1996) Ertem (2004) A C T G C C T PANSPERMIA Molecole nello Spazio Zucchero nel centro della Galassia Trovata a 26 mila anni luce da noi la glicolaldeide (Novembre 2008) La glicolaldeide è la molecola di partenza per ottenere il ribosio, lo zucchero presente nella molecola dell’RNA Comete Asteroidi Meteorite di Murchison Condrite carbonacea (4.6 109 anni) Analisi chimica: Aminoacidi Acidi carbossilici Basi nucleotidiche Composti organici fosforati Composti organici solforati Polioli (zuccheri) Polvere Spaziale OGNI ANNO >10.000 TONNELLATE GIUNGONO SULLA TERRA ! Adsorbed molecules on dust particles could be protected against degradation due to radiation or high temperature Building Code • Sintesi dei precursori (nucleotidi) e loro polimerizzazione; • Persistenza / protezione dei polimeri nascenti in un ambiente in continuo cambiamento; • Espressione della “potenzialità biologica” dei polimeri informazionali originatisi. Protection from Degradation Fate of DNA in Soil Environment Lysis Excretion Extracellular DNA Persistence Degradation Adsorption on soil particles (clay minerals) Studi sul “Fate” del DNA nell’ambiente mostrano che Il DNA adsorbito alle particelle di argilla, non solo persiste per tempi lunghissimi nell’ambiente, ma mantiene pure le sue “caratteristiche” biologiche. (Gallori et al., 1994; Stotzky and Gallori, 1996; Vettori et al., 1996, 2000) Nucleic Acid-Clay Complexes RNA DNA Clay minerals: RNA-Clay Complexes DNA-Clay Complexes Electron Microscopy (T.E.M.) K-Chromosomal DNA (X 154,000) K-Plasmid DNA (X 271,500) Franchi and Gallori, 2004; Gallori et al., 2006 FT-IR Analysis of Clay-Nucleic Acid complexes B-Form 0,5 0,45 K-adsorbed DNA free DNA 0,4 Absorbance 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 A-Form 0,1 kaolinite 0,05 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 0 -1 n (cm ) Franchi and Gallori, 2004; Gallori et al., 2006 Protective capabilities of clay minerals (DNA) Protection from physical agent: UV and X-ray radiation DNA adsorbed on clay minerals is protected from both UV and X-ray radiation Ciaravella et al., 2004; Scappini et al., 2004 U.V. radiation Building code • Synthesis and accumulation of precursors (i.e. nucleotides) • Joining of precursors into larger molecules (i.e. DNA, RNA) • Protection of molecules from degradation • Expression of “biological”potentiality of the informational molecule Molecole di RNA con attività catalitica (Ribozimi) adsorbite alle particelle di argilla sono ancora “biologicamente” attive? Portare a termine specifiche reazioni (self-cleavage, self-splicing, ecc.) Di resistere all’azione di vari agenti degradativi (raggi UV, ecc.) Franchi & Gallori, 2005; Biondi et al., 2007; Biondi et al., 2007 Phosphate (from apatite) N-Base Ribose RADIATION Interaction ProtectionEvolution Giove e le sue Lune EUROPA I solchi visibili sulla superficie di Europa potrebbero indicare la presenza acqua allo stato liquido al di sotto della calotta esterna ghiacciata Chi fa esperienze accresce il sapere; chi è credulo aumenta l’errore Proverbio Arabo Francesco Redi Confutazione della Generatio aequivoca (1668)