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)