Quattro miliardi di anni fa, i primi precursori molecolari della vita emersero, turbinando nel brodo primordiale di sostanze chimiche della Terra. Sebbene l’identità di queste molecole rimanga un soggetto di un dibattito molto aspro, gli scienziati concordano sul fatto che le molecole avrebbero dovuto svolgere due funzioni principali: immagazzinare informazioni e catalizzare reazioni chimiche. La cellula moderna assegna queste responsabilità al suo DNA e alle sue proteine, rispettivamente – ma secondo la narrativa che oggi domina la ricerca sull’origine della vita e le descrizioni dei libri di biologia, l’RNA fu il primo a svolgere questo ruolo, aprendo la strada al DNA e alle proteine che subentrarono in seguito.
Questa ipotesi, proposta negli anni ’60 e ribattezzata “mondo RNA” due decenni dopo, è generalmente considerata come la spiegazione più probabile di come la vita abbia avuto inizio. I “mondi” alternativi abbondano, ma sono spesso visti come teorie di ripiego, voli di fantasia o capricciosi esperimenti del pensiero.
Questo soprattutto perché, teorie a parte, il mondo dell’RNA è fortificato da molte più prove sperimentali di quelle accumulate dai suoi concorrenti. Il mese scorso, Quanta Magazine ha riportato una teoria alternativa che suggerisce che le molecole simili alle proteine, piuttosto che l’RNA, potrebbero essere state i primi autoreplicatori del pianeta. Ma le sue scoperte erano puramente computazionali; i ricercatori hanno appena iniziato gli esperimenti per cercare supporto alle loro affermazioni.
Ora, una coppia di ricercatori ha presentato un’altra teoria – questa volta coinvolgendo la coevoluzione di RNA e peptidi – che sperano scuoterà la presa del mondo RNA.
Perché l’RNA era insufficiente
Recenti articoli pubblicati su Biosystems and Molecular Biology and Evolution hanno delineato perché l’ipotesi del mondo RNA non fornisce una base sufficiente per gli eventi evolutivi che sono seguiti. Invece, ha detto Charles Carter, un biologo strutturale presso l’Università della Carolina del Nord, Chapel Hill, che è co-autore dei documenti, il modello rappresenta “una proposta opportuna”. “Non c’è modo che un singolo polimero possa svolgere tutti i processi necessari che ora caratterizziamo come parte della vita”, ha aggiunto.
E quel singolo polimero non potrebbe certo essere l’RNA, secondo gli studi del suo team. La principale obiezione alla molecola riguarda la catalisi: Alcune ricerche hanno dimostrato che perché la vita prendesse piede, il polimero misterioso avrebbe dovuto coordinare i tassi delle reazioni chimiche che potrebbero differire in velocità fino a 20 ordini di grandezza. Anche se l’RNA potesse in qualche modo fare questo nel mondo prebiotico, le sue capacità di catalizzatore sarebbero state adattate alle temperature roventi – circa 100 gradi Celsius – che abbondavano sulla Terra primitiva. Una volta che il pianeta ha iniziato a raffreddarsi, sostiene Carter, l’RNA non sarebbe stato in grado di evolversi e mantenere il lavoro di sincronizzazione. In breve tempo, la sinfonia delle reazioni chimiche sarebbe caduta in disordine.
Forse la cosa più importante è che un mondo di solo RNA non potrebbe spiegare la nascita del codice genetico, che quasi tutti gli organismi viventi oggi usano per tradurre le informazioni genetiche in proteine. Il codice prende ciascuna delle 64 possibili sequenze di RNA a tre nucleotidi e le mappa a uno dei 20 aminoacidi usati per costruire le proteine. Trovare un insieme di regole abbastanza robusto per fare questo richiederebbe troppo tempo con il solo RNA, ha detto Peter Wills, co-autore di Carter all’Università di Auckland in Nuova Zelanda – se il mondo dell’RNA potrebbe anche raggiungere quel punto, cosa che ha ritenuto altamente improbabile. Secondo Wills, l’RNA potrebbe essere stato in grado di catalizzare la propria formazione, rendendolo “chimicamente riflessivo”, ma mancava di quella che ha chiamato “riflessività computazionale”
“Un sistema che usa le informazioni nel modo in cui gli organismi usano le informazioni genetiche – per sintetizzare i propri componenti – deve contenere informazioni riflessive”, ha detto Wills. Ha definito l’informazione riflessiva come un’informazione che, “quando viene decodificata dal sistema, produce i componenti che eseguono esattamente quella particolare decodifica”. L’RNA dell’ipotesi del mondo RNA, ha aggiunto, è solo chimica perché non ha mezzi per controllare la sua chimica. “Il mondo dell’RNA non vi dice nulla sulla genetica”, ha detto.
La natura doveva trovare una strada diversa, una scorciatoia migliore per il codice genetico. Carter e Wills pensano di aver scoperto questa scorciatoia. Dipende da uno stretto ciclo di feedback – uno che non si sarebbe sviluppato dal solo RNA, ma invece da un complesso peptide-RNA.
Portando i peptidi nel mix
Carter ha trovato accenni di quel complesso a metà degli anni ’70, quando ha imparato alla scuola di specializzazione che certe strutture viste nella maggior parte delle proteine sono “destre”. Cioè, gli atomi nelle strutture potrebbero avere due disposizioni speculari equivalenti, ma tutte le strutture ne usano solo una. Anche la maggior parte degli acidi nucleici e degli zuccheri che compongono il DNA e l’RNA sono destrorsi. Carter cominciò a pensare all’RNA e ai polipeptidi come strutture complementari, e modellò un complesso in cui “erano fatti l’uno per l’altro, come una mano in un guanto”
Questo implicava un tipo elementare di codifica, una base per lo scambio di informazioni tra l’RNA e il polipeptide. Era sulla buona strada per disegnare l’aspetto che avrebbe potuto avere, lavorando a ritroso dal ben più sofisticato codice genetico moderno. Quando il mondo dell’RNA, coniato nel 1986, salì alla ribalta, Carter ammise: “Ero piuttosto arrabbiato”. Sentiva che il suo mondo peptide-RNA, proposto un decennio prima, era stato totalmente ignorato.
Da allora, lui, Wills e altri hanno collaborato a una teoria che risale a quella ricerca. Il loro obiettivo principale era quello di capire il codice genetico molto semplice che ha preceduto quello più specifico e complicato di oggi. E così si sono rivolti non solo al calcolo ma anche alla genetica.
Al centro della loro teoria ci sono 20 molecole di “caricamento” chiamate aminoacil-tRNA sintetasi. Questi enzimi catalitici permettono all’RNA di legarsi a specifici amminoacidi secondo le regole del codice genetico. “In un certo senso, il codice genetico è ‘scritto’ nella specificità dei siti attivi” di questi enzimi, ha detto Jannie Hofmeyr, un biochimico della Stellenbosch University in Sud Africa, che non è stato coinvolto nello studio.