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Origine molecolare della vita: cosa si è formato per primo: proteine, DNA o RNA o una loro combinazione?

SCIENZEBIOLOGIAOrigine molecolare della vita: cosa si è formato per primo: proteine, DNA o RNA o una loro combinazione?

"Diverse domande sull'origine della vita hanno avuto risposta, ma molto resta da studiare", dissero Stanley Miller e Harold Urey nel lontano 1959, dopo aver riportato la sintesi in laboratorio di amminoacidi in condizioni primitive della terra. Molti progressi lungo la linea, ma gli scienziati sono da tempo alle prese con una domanda fondamentale: quale materiale genetico si è formato per primo sulla terra primitiva, DNA o RNA, o un po' di entrambi? Ora ci sono prove che suggeriscono che DNA e RNA potrebbero essere coesistiti entrambi nel brodo primordiale da cui le forme di vita potrebbero essersi evolute con i rispettivi materiali genetici.

Il dogma centrale della biologia molecolare afferma che DNA fa RNA fa proteine. Le proteine ​​sono responsabili della maggioranza, se non di tutte, le reazioni che avvengono in un organismo. L'intera funzionalità di un organismo dipende principalmente dalla loro presenza e interazione di le proteine molecole. Secondo il dogma centrale, le proteine ​​sono prodotte dalle informazioni contenute in DNA che viene convertito in proteina funzionale tramite un messaggero chiamato RNA. Tuttavia, è possibile che le proteine ​​stesse possano sopravvivere indipendentemente senza DNA o RNA, come nel caso dei prioni (molecole proteiche mal ripiegate che non contengono DNA o RNA), ma possono sopravvivere da sole.

Quindi, ci possono essere tre scenari per l'origine della vita.

A) Se le proteine ​​o i suoi mattoni sono stati in grado di formarsi abioticamente durante l'atmosfera che esisteva miliardi di anni fa nel brodo primordiale, le proteine ​​possono essere definite come la base di origine della vita. L'evidenza sperimentale a suo favore viene dal famoso esperimento di Stanley Miller1, 2, che ha mostrato che quando una miscela di metano, ammoniaca, acqua e idrogeno viene mescolata insieme e fatta circolare oltre una scarica elettrica, si forma una miscela di amminoacidi. Questo è stato nuovamente confermato sette anni dopo3 nel 1959 da Stanley Miller e Harold Urey affermando che la presenza di atmosfera riducente nella terra primordiale dava luogo alla sintesi di composti organici in presenza dei suddetti gas più piccole quantità di monossido di carbonio e anidride carbonica. La rilevanza degli esperimenti di Miller-Urey è stata messa in discussione per diversi anni dalla confraternita scientifica, che pensava che la miscela di gas utilizzata nella loro ricerca fosse troppo riduttiva rispetto alle condizioni che esistevano sulla Terra primordiale. Un certo numero di teorie indicava un'atmosfera neutra contenente un eccesso di CO2 con N2 e vapore acqueo4. Tuttavia, anche un'atmosfera neutra è stata identificata come un ambiente plausibile per la sintesi degli amminoacidi5. Inoltre, affinché le proteine ​​agiscano come origini della vita, devono auto-replicarsi portando a una combinazione di proteine ​​diverse per soddisfare le diverse reazioni che avvengono in un organismo.

B) Se il brodo primordiale ha fornito le condizioni per costruire mattoni di DNA e/o RNA da formare, allora uno di questi potrebbe essere stato il materiale genetico. La ricerca finora ha favorito l'RNA come materiale genetico per l'origine delle forme di vita per la loro capacità di ripiegarsi su se stesso, esistendo come un singolo filamento e agendo come un enzima6, in grado di produrre più molecole di RNA. Un certo numero di enzimi RNA autoreplicanti7 sono stati scoperti nel corso degli anni suggerendo che l'RNA sia il materiale genetico di partenza. Ciò è stato ulteriormente rafforzato dalla ricerca svolta dal gruppo di John Sutherland che ha portato alla formazione di due basi di RNA in un ambiente simile al brodo primordiale includendo fosfato nella miscela8. È stata anche dimostrata la formazione di blocchi di RNA simulando un'atmosfera riducente (contenente ammoniaca, monossido di carbonio e acqua), simile a quella utilizzata nell'esperimento di Miller-Urey e quindi facendo passare attraverso di essi scariche elettriche e laser ad alta potenza9. Se si deve ritenere che l'RNA sia l'originatore, allora quando e come sono nati il ​​DNA e le proteine? Il DNA si è sviluppato come materiale genetico in seguito a causa della natura instabile dell'RNA e le proteine ​​hanno seguito l'esempio. Le risposte a tutte queste domande rimangono ancora senza risposta.

C) Il terzo scenario secondo cui DNA e RNA possono coesistere nel brodo primordiale che ha portato all'origine della vita è venuto da studi pubblicati il ​​3rd Giugno 2020 dal gruppo di John Sutherland del Laboratorio MRC di Cambridge, Regno Unito. I ricercatori hanno simulato le condizioni che esistevano su una Terra primordiale miliardi di anni fa, con stagni poco profondi in laboratorio. Hanno prima dissolto le sostanze chimiche che formano l'RNA nell'acqua, poi le hanno asciugate e riscaldate e poi le hanno sottoposte a radiazioni UV che simulavano i raggi del sole esistenti in tempi primordiali. Ciò non solo ha portato alla sintesi dei due elementi costitutivi dell'RNA ma anche del DNA, suggerendo che entrambi gli acidi nucleici coesistevano al momento dell'origine della vita10.

Sulla base della conoscenza contemporanea esistente oggi e onorando il dogma centrale della biologia molecolare, sembra plausibile che il DNA e l'RNA coesistessero che hanno portato all'origine della vita e la formazione delle proteine ​​sia venuta/avvenuta in seguito.

Tuttavia, l'autore desidera ipotizzare un altro scenario in cui tutte e tre le importanti macromolecole biologiche, vale a dire. DNA, RNA e proteine ​​esistevano insieme nel brodo primordiale. Le condizioni disordinate che esistevano nella zuppa primordiale che coinvolgono la natura chimica della superficie terrestre, le eruzioni vulcaniche e la presenza di gas come ammoniaca, metano, monossido di carbonio, anidride carbonica insieme all'acqua potrebbero essere state ideali per la formazione di tutte le macromolecole. Un suggerimento di ciò è stato fornito dalla ricerca condotta da Ferus et al., in cui le basi azotate si sono formate nella stessa atmosfera riducente9 utilizzato nell'esperimento di Miller-Urey. Se dobbiamo credere a questa ipotesi, allora nel corso dell'evoluzione diversi organismi hanno adottato l'uno o l'altro materiale genetico, che ha favorito la loro esistenza andando avanti.

Tuttavia, mentre cerchiamo di comprendere l'origine delle forme di vita, sono necessarie molte ulteriori ricerche per rispondere alle domande fondamentali e pertinenti su come la vita ha avuto origine e si è propagata. Ciò richiederebbe un approccio "fuori dagli schemi" senza fare affidamento su alcun pregiudizio introdotto nel nostro pensiero dagli attuali dogmi seguiti dalla scienza.

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Riferimenti:

1. Miller S., 1953. Una produzione di amminoacidi in possibili condizioni primitive della terra. Scienza. 15 maggio 1953: vol. 117, Numero 3046, pp. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Zuppa prebiotica: rivisitazione dell'esperimento Miller. Scienza 02 maggio 2003: vol. 300, numero 5620, pp. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Miller SL e Urey HC, 1959. Sintesi di composti organici sulla Terra primitiva. Scienza 31 luglio 1959: vol. 130, Numero 3370, pp. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Composizione atmosferica e clima sulla Terra primordiale. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361: 1733–1741 (2006). Pubblicato: 07 settembre 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Una rivalutazione della sintesi organica prebiotica in atmosfere planetarie neutre. Orig Life Evol Biosph 38:105-115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. La sequenza interposta dell'RNA di Tetrahymena è un enzima. Scienza 31 gennaio 1986: vol. 231, Numero 4737, pp. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Trascrizione catalizzata da ribozima di un ribozima attivo. Scienza 08 aprile: vol. 332, Numero 6026, pp. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Sintesi di ribonucleotidi pirimidinici attivati ​​in condizioni prebiotiche plausibili. Natura 459, 239-242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Formazione di basi azotate in un'atmosfera riducente Miller-Urey. PNAS 25 aprile 2017 114 (17) 4306-4311; pubblicato per la prima volta il 10 aprile 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Formazione prebiotica selettiva di RNA pirimidina e nucleosidi purinici del DNA. Natura 582, 60-66 (2020). Pubblicato: 03 giugno 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

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Rajeev Soni
Rajeev Sonihttps://www.RajeevSoni.org/
Il dottor Rajeev Soni (ID ORCID: 0000-0001-7126-5864) ha un dottorato di ricerca. in Biotecnologie presso l'Università di Cambridge, Regno Unito e ha 25 anni di esperienza lavorando in tutto il mondo in vari istituti e multinazionali come The Scripps Research Institute, Novartis, Novozymes, Ranbaxy, Biocon, Biomerieux e come ricercatore principale con US Naval Research Lab nella scoperta di farmaci, nella diagnostica molecolare, nell'espressione proteica, nella produzione biologica e nello sviluppo del business.

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