Come si sono originate le molecole della vita?

Uno studio pubblicato sulla rivista Science da un team di chimici dell’Università di Monaco di Baviera rivela il meccanismo che potrebbe aver portato alla produzione di alcuni dei componenti fondamentali di DNA e RNA prima della comparsa della vita

La via di sintesi prebiotica individuata permette di produrre alcuni costituenti degli acidi nucleici con rese molto elevate e potrebbe spiegare la grande diffusione dell’ATP come principale moneta di scambio energetico a livello molecolare. La vita si è originata probabilmente a partire da un piccolo set di molecole trasportate sulla Terra da comete oppure già presenti nell’atmosfera primordiale del nostro pianeta. Una delle ipotesi più affascinanti per spiegare come si sia evoluta la vita da questi composti e dai prodotti organici delle loro prime reazioni è il cosiddetto RNA world, un mondo di brevi catene nucleotidiche capaci di autoreplicarsi e di “competere” tra loro. 

Se oggi esiste un set definito di nucleotidi che partecipano alla costruzione del DNA e dell’RNA, durante l’era prebiotica i potenziali mattoni della vita erano molti di più e potevano differire anche solo per pochissimi dettagli conformazionali apparentemente trascurabili. E allora come è stato selezionato il “pacchetto” di nucleotidi che forma gli acidi nucleici di tutti i viventi? E perché è proprio l’ATP la molecola più utilizzata per trasferire l’energia durante le reazioni metaboliche nelle cellule? E prima ancora, come si sono formati i componenti principali del DNA e dell’RNA?

Uno dei principali problemi dell’ipotesi dell’RNA world riguarda le basse efficienze di formazione, a partire da composti semplici, di quegli specifici nucleosidi (nucleotidi senza gruppi fosfato) che custodiscono le informazioni genetiche nei viventi. Questo aspetto rende più complicato spiegare il perché proprio queste specifiche molecole siano riuscite ad emergere rispetto ad altre molto simili. A differenza dei nucleosidi pirimidinici, per quelli purinici un meccanismo efficiente di sintesi non è ancora stato identificato. Infatti, in condizioni simili a quelle prebiotiche, la semplice unione di un’adenina con un ribosio produce solamente il 4% di adenosina, una quantità sicuramente insufficiente per spiegare la grande diffusione di questa molecola che costituisce sia gli acidi nucleici che l’ATP, la principale molecola che fornisce l’energia alle reazioni cellulari nei viventi.

Il secondo problema di questo meccanismo di costruzione è una scarsa specificità di interazione tra la base e lo zucchero, che si combinano quindi nei modi più disparati, non solo in quello “canonico” dei nostri nucleosidi. Per questo, il gruppo di ricerca guidato da Thomas Carell ha cercato di individuare una possibile via prebiotica alternativa in grado di produrre i “nostri” nucleosidi purinici con maggiore efficienza, per chiarire uno dei passaggi più complessi dell’origine della vita.

I risultati del loro studio, pubblicato sulla rivista Science, dimostrano che la reazione di molecole organiche chiamate formamidopirimidine (FaPys, sostanzialmente delle purine incomplete) con il ribosio consente di produrre nucleosidi con efficienze molto elevate (60%) in condizioni simili a quelle prebiotiche. I composti di partenza per la sintesi delle FaPys, le amminopirimidine, possono essere facilmente sintetizzati a partire da molecole semplici (come HCN e NH4CN) che erano presenti sulla Terra anche prima della comparsa della vita. Curiosamente, gli esperimenti successivi condotti dal team di scienziati hanno dimostrato come, in diverse condizioni, il nucleoside prodotto maggiormente fosse l’adenosina, un indizio interessante per capire perché proprio l’ATP sia divenuto la principale moneta di scambio energetico negli esseri viventi.

Efficienza della produzione e specificità strutturale sono stati i criteri che hanno permesso ai nucleotidi che compongono i nostri DNA ed RNA di essere selezionati dalla chimica prebiotica in quel guazzabuglio infernale che ha visto nascere i costituenti fondamentali della vita. Ora abbiamo un’idea più precisa di come andarono le cose.


Referenze:
Becker, I. Thoma, A. Deutsch, T. Gehrke, P. Mayer, H. Zipse, T. Carell.A high-yielding, strictly regioselective prebiotic purine nucleoside formation pathway.Science, 2016; 352 (6287): 833 DOI:10.1126/science.aad2808

Immagine: Primordial Soup Bowls/Ben Horne