Il naturalista britannico Charles Darwin fu il primo a descrivere l'evoluzione delle specie, in cui l'informazione genetica sotto forma di sequenze di DNA viene copiata e trasmessa di generazione in generazione, consentendo lievi variazioni nel tempo per facilitare l'introduzione di nuovi tratti negli organismi. popolazione. Il famoso scienziato arrivò a questa conclusione dopo aver verificato che ogni piccola isola dell'arcipelago delle Galapagos è abitata da un uccello con un becco diverso. Gli scienziati possono utilizzare il DNA per tracciare la storia dell'evoluzione dalle piante e dagli animali moderni ai primi organismi unicellulari. Ma cosa sia successo quando è nata la vita, molto prima delle cellule, delle proteine e del DNA, rimane poco chiaro. Un simile tipo di evoluzione potrebbe verificarsi su scala più semplice?
Negli anni '60, un gruppo di ricercatori propose che la vita sul nostro pianeta fosse iniziata con un "mondo a RNA", un'ipotetica era in cui piccole molecole di RNA governavano la Terra primordiale e stabilivano le dinamiche della vita, uno sviluppo darwiniano.
Nuova indagine su Istituto Salk La Divisione di Studi Biologici (La Jolla, CA, USA), finanziata dalla NASA, sostiene l'ipotesi del mondo a RNA. Lo studio pubblicato in "Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze" (PNAS)Rivela un enzima RNA in grado di creare copie precise di altri filamenti di RNA funzionali, consentendo al tempo stesso l'emergere di nuove varianti della molecola nel tempo. Ciò, secondo i ricercatori, suggerisce che l'evoluzione potrebbe essere già avvenuta a livello molecolare nell'RNA.
I risultati avvicinano anche gli scienziati alla ricostruzione della vita basata sull'RNA in laboratorio. Modellando questi ambienti primitivi in laboratorio, gli scienziati possono verificare direttamente le ipotesi su come è iniziata la vita sulla Terra, o anche su altri pianeti.
L'alba dell'evoluzione
"Stiamo inseguendo l'alba dell'evoluzione", afferma Gerald Joyce, autore principale e presidente del Salk. "Rivelando queste nuove capacità dell'RNA, stiamo rivelando le potenziali origini della vita stessa e come molecole semplici avrebbero potuto aprire la strada alla complessità e alla diversità della vita che vediamo oggi".
Le eliche del DNA sono eccellenti per immagazzinare informazioni genetiche. Molti di questi geni codificano infine per le proteine: complesse macchine molecolari che svolgono tutti i tipi di lavori per mantenere in vita le cellule. Da parte loro, le molecole di RNA sono composte da sequenze nucleotidiche estese, simili al DNA, ma possono anche funzionare come enzimi per facilitare le reazioni, proprio come le proteine.
Joyce e il suo team stanno lavorando sui ribozimi della RNA polimerasi: molecole di RNA che possono creare copie di altri filamenti di RNA. Negli ultimi dieci anni li hanno sviluppati in laboratorio, utilizzando una forma di evoluzione diretta per produrre nuove versioni in grado di replicare molecole più grandi. Ma la maggior parte di essi ha un difetto fatale: non riesce a replicare le sequenze con sufficiente precisione. Nel corso di molte generazioni, nella sequenza vengono introdotti così tanti errori che i filamenti di RNA risultanti non assomigliano più alla sequenza originale e la loro funzione viene completamente persa.
Ma ora i ricercatori sono riusciti a fare in modo che l'ultimo ribozima della RNA polimerasi sviluppato in laboratorio includa una serie di mutazioni cruciali che gli consentono di copiare un filamento di RNA con una precisione molto maggiore.
In questi esperimenti, il filamento di RNA che viene trascritto è la "testa martello", una piccola molecola che spezza in pezzi altre molecole di RNA. I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che non solo il ribozima della RNA polimerasi replicava esattamente uno squalo martello funzionale, ma nel tempo hanno cominciato ad emergere nuove forme di squalo martello. Queste nuove varianti si comportavano in modo simile, ma le loro mutazioni le rendevano più facili da riprodurre, il che aumentava la loro idoneità evolutiva e alla fine li portava a dominare le popolazioni di squali martello in laboratorio.
Vita indipendente dall'RNA.
"Ci siamo chiesti a lungo quanto fosse semplice la vita quando è iniziata e quando ha acquisito la capacità di iniziare a migliorare", afferma il primo autore Nikolaos Papastavrou, un ricercatore associato nel laboratorio di Joyce. "Questo studio suggerisce che l'alba dell'evoluzione potrebbe essere stata molto precoce e molto semplice. "Qualcosa a livello delle singole molecole potrebbe aver sostenuto l'evoluzione darwiniana, e quella potrebbe essere stata la scintilla che ha permesso alla vita di diventare più complessa, passando dalle molecole alle cellule e agli organismi multicellulari".
Il team di Joyce sta ricreando questo processo in provette di laboratorio, applicando una pressione selettiva crescente al sistema per produrre polimerasi con prestazioni migliori, con l'obiettivo di produrre un giorno una RNA polimerasi in grado di replicarsi. Ciò segnerebbe l'inizio della vita autonoma dell'RNA in laboratorio, che secondo i ricercatori potrebbe essere raggiunta entro il prossimo decennio.
Gli scienziati sono anche interessati a cosa potrebbe accadere quando questo piccolo "mondo dell'RNA" acquisirà maggiore indipendenza.
"Abbiamo visto che la pressione selettiva può migliorare un RNA con una funzione esistente, ma se permettiamo al sistema di evolversi più a lungo con insiemi più grandi di molecole di RNA, si possono inventare nuove funzioni?" chiede il coautore David Horning, uno scienziato del laboratorio di Joyce.
I metodi utilizzati nel laboratorio di Joyce aprono anche la strada a futuri esperimenti che mettono alla prova altre idee sulle origini della vita, comprese le condizioni ambientali che potrebbero supportare meglio l'evoluzione dell'RNA, sia sulla Terra che su altri pianeti.
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