La teoria dell’RNA WORLD(Cfr.bibl.nr.5-10)
A differenza delle tesi di Cairns-Smith secondo cui il substrato catalitico che avrebbe fornito il sostegno iniziale alla formazione dell’RNA e alla evoluzione dell’RNA WORLD va ricercato nell’argilla, Cristian de Duve suppone che il mondo ad RNA sia emerso e sia stato supportato da un metabolismo primitivo (prometabolismo),alimentato da composti con legami sulfurei (Tioesteri). Secondo l’autore, il dibattito sull’origine della vita verte sull’origine delle fondamentali macromolecole della vita: acidi nucleici, proteine, carboidrati e grassi .
Questo si fonda sull’osservazione della loro funzione negli organismi viventi. Le proteine sono i principali agenti strutturali e funzionali delle cellule .Le proteine catalitiche, o enzimi, controllano tutte le reazioni chimiche che portano alla sintesi dei costituenti biologici (inclusi il DNA e RNA).Le proteine regolatrici presiedono al controllo delle interazioni, dell’espressione e della replicazioni genica.Da quanto detto, la vita cellulare risulterebbe inconcepibile senza la loro presenza.D’altra parte, le proteine da sole non sono in grado di replicarsi.La loro sintesi è legata a un complesso meccanismo di trascrizione e traduzione dell’informazione genetica, conservata nelle molecole di DNA. Il DNA tuttavia, non partecipa direttamente alla formazione delle proteine. E’ necessario un intermediario chimicamente affine al DNA, l’RNA.L’informazione contenuta nel DNA viene infatti trascritta in molecola di RNA messaggero. Al processo di traduzione intervengono altri due tipi di RNA ,gli RNA ribosomiali (che provvedono alla formazione dei ribosomi) e gli RNA di trasferimento (che provvedono al trasporto dell’appropriato amminoacido sul ribosoma).Da quanto osservato nelle cellule attuali esiste, dunque, una stretta correlazione tra DNA, RNA e proteine: ciascuna di queste macromolecole dipende dalla altre.La duplicazione stessa del DNA richiede l’intervento di enzimi catalizzatori, che a loro volta, non potrebbero essere sintetizzati, senza l’informazione contenuta nel DNA e trascritta in molecole di RNA(fig.6).
Figura 6: Interazione tra DNA,RNA e Proteine
Si è così ipotizzato che l’origine della vita sia da ricercarsi nel contemporaneo sviluppo di due tipi di molecole, una informazionale ed una catalitica. Questa ipotesi risulta, tuttavia, estremamente complicata e, per questo, poco attendibile. Un'altra possibilità è che una di queste macromolecole potesse da sola svolgere varie funzioni. Importanti considerazioni, supportate da diversi esperimenti, hanno indotto a pensare che la macromolecola in questione fosse l’RNA. L’RNA è, infatti, una molecola molto antica, molto versatile, e impegnata in tutti i processi relativi alla continuazione della vita nella cellula.
Alla fine degli anni’70, inoltre, un gruppo di ricercatori dell’università del Colorado ha scoperto che le molecole di RNA potevano agire da catalizzatori nelle reazioni implicate nella loro stessa formazione. E’ teoricamente possibile, che una molecola di RNA possa essere esistita, e che questa molecola contenesse le informazioni per autoriprodursi e sintetizzare altre molecole di RNA(fig.7).
Figura 7: Fasi del processo di sintesi delle proteine
negli organismi di oggi(a sinistra) e nell' RNA WORLD(a destra)
La fedeltà della replicazione sarebbe stata però tutt’altro che perfetta e quindi il processo avrebbe prodotto molecole di RNA varianti, alcune delle quali potevano essere in grado di autoreplicarsi meglio. Nella competizione per i nucleotidi liberi le molecole più efficaci nell’autoreplicarsi avrebbero preso il sopravvento su quelle meno efficaci, con il risultato di farle scomparire dalla popolazione totale.Nell’86 è stato così coniato il termine "RNA WORLD" per designare un ipotetico passaggio nello sviluppo della vita nel quale molecole di RNA ed alcuni cofattori hanno costituito un set di enzimi sufficiente per fare avvenire tutte le reazioni chimiche necessarie alla prima struttura cellulare. Se è certo che l’RNA WORLD abbia rappresentato una fase cruciale nell’evoluzione della vita, è pur certo che essa non può essere stata la prima.
Alcune formazioni chimiche abiotiche devono essere esistite prima della comparsa dell’RNA, nella così detta fase "protometabolica", durante la quale una serie di reazioni chimiche sconosciute ha generato l’RNA WORLD e l’ha mantenuto in vita fin quando non è iniziato il metabolismo vero e proprio, dopo una lunga serie di passaggi. Il primo passo è stato quello di sviluppare un sistema che prendesse materiale organico e lo trasformasse in RNA. Dai primi elementi costitutivi della vita si formarono i nucleotidi e da questi le prime molecole di RNA. Lo sviluppo della replicazione dell’ RNA è stato il secondo passo nell’evoluzione dell’RNA WORLD.Come già accennato, alcune varianti di RNA formatesi, si duplicavano più rapidamente e finivano col prendere il sopravvento sulle altre .Ciò non è altro che l’espressione della teoria Darwiniana, a livello molecolare: variazioni casuali, competizioni, selezione, e amplificazione naturale delle prime entità di RNA.
Il terzo stadio nell’evoluzione dell’RNA WORLD fu lo sviluppo della sintesi di proteine RNA – dipendenti. Secondo alcune ricerche si sarebbero sviluppate nuove molecole di RNA in grado di autoreplicarsi e con la capacità di catalizzare la condensazione di amminoacidi e peptidi . Occasionalmente il peptide o i peptidi formati avrebbero rinforzato il potere autoreplicante delle molecole di RNA e le coppie così generate - molecola di RNA peptide di aiuto - sarebbero potute andare incontro ad altre modificazioni nelle loro sequenze, fino a produrre un sistema molto più efficace.
Questo stadio segna il limite di quello che potrebbe essere accaduto nel brodo primordiale .Per evolvere oltre, il sistema si è dovuto dividere in un gran numero di cellule in competizione tra loro, le protocellule, capaci di svilupparsi e moltiplicarsi per divisione.( Si ritiene che composti simili ai lipidi,presenti nel brodo primordiale, formarono strati relativamente impermeabili che circondarono gli insiemi di molecole autoreplicanti. La concentrazione di proteine e di acidi nucleici racchiusi in queste sacche lipidiche favorì la necessaria interazione tra le molecole di questi sistemi autoreplicanti).L’ultimo stadio dell’ RNA WORLD ebbe luogo quando il processo di traduzione divenne abbastanza efficiente ed accurato da non indurre errori nelle sequenze di singole proteine, a partire da sequenze geniche di RNA.
I primi geni ad RNA erano molto brevi e le proteine molto elementari costituite da non più di 20–30-amminoacidi.E’ durante questa fase che le proteine enzimatiche hanno fatto la loro comparsa. Esse crearono nuove reazioni e migliorarono quelle già esistenti.La comparsa del DNA segna un ulteriore affinamento del primitivo sistema di sintesi delle proteine: la molecole di DNA con una sequenza complementare a quella della molecole di RNA autoreplicanti assunsero la funzione di molecole conservatrici dell’informazione "genetica" e le molecole di RNA si adattarono meglio alla sintesi delle proteine. Le mutazioni chimiche necessarie per far derivare il DNA dall’ RNA sono molto semplici ed è molto probabile che queste siano avvenute alla fine dell’ RNA WORLD, quando il macchinario RNA-dipendente era ormai funzionante.Il mondo ad RNA sembra dunque, essere una fase cruciale nello sviluppo della vita.
Occorre, tuttavia, fare un passo indietro nella storia dell’evoluzione. L’RNA WORLD è in sé troppo complesso per essersi potuto evolvere direttamente dalle molecole organiche presenti nell’era prebiotica: deve essere quindi, esistito, un protometabolismo che sviluppò un’insieme di reazioni stabili capaci non solo di generare l’RNA WORLD ma anche di sostenerlo per il lungo tempo necessario per lo sviluppo della replicazione dell’ RNA e della sintesi della proteine, alla formazione di enzimi e alla nascita del metabolismo.Giunti a questa conclusione si è cercato di indagare sulla natura di questo protometabolismo e si ritiene che un ruolo fondamentale sia stato svolto dai tiosteri.
Il legame tioestere è, infatti, uno dei primi nello sviluppo della vita. Un tiostere si forma quando un tiolo (la cui formula generale è scritta con un gruppo organico R, legato con zolfo e idrogeno, cioè R-S-H) si lega con un acido carbossilico(R'-COOH).Una molecola d’acqua si forma nella reazione e ciò che rimane è un tioestere R-S-CO-R'.Un aspetto interessante di questo legame è che i suoi componenti sono gli stessi componenti del brodo primordiale.
I tioli si trovano inoltre nel materiale vulcanico, ricchi di solfuro di idrogeno, così come sono stati trovati nella terra prebiotica. Il legame tioestere è ciò che i biochimici chiamano legame ad alta energia, equivalente ai legami fosfato nell’ATP, che è il principale fornitore di energia negli organismi viventi. I tioesteri sono, tra l’altro, coinvolti nella sintesi di molti esteri,di peptidi, di acidi grassi, di steroidi, e terpeni, nonché in processi nei quali l’ATP è usata o rigenerata. Sulla base di queste considerazioni, si è supposto che i tioesteri abbiano svolto lo stesso ruolo dell’ATP, in un mondo privo di essa , e, in un secondo momento, abbiano indotto la sua stessa formazione ( i tioesteri facilitano, infatti la formazione di legami fosfato)(fig.8).
Figura 8: Funzione dei Tioesteri nella biosintesi protometabolica confrontata
alla analoga funzione svolta oggi dall'ATP
Ricerche successive hanno appurato che dai tioesteri possano derivare peptidi.Il biochimico Fritz Lipmann "padre della bioenergetica" ha scoperto, nel 1960, che in organismi attuali le sostanze che derivano dai tioesteri sono dei peptidi batterici fatti da 10 o più amminoacidi.Ancora prima nel 1951 Thedor Wieland scoprì che in soluzioni acquose i tioesteri degli amminoacidi formavano spontaneamente peptidi.
Questa stessa reazione di condensazione può essersi verificata in un "mondo di tioesteri" dove gli amminoacidi esistevano sotto forma di tioesteri. Tra i peptidi risultanti alcuni potrebbero essere stati strutturalmente e funzionalmente simili alla proteina catalitica che ha inaugurato il metabolismo. Si ritiene che le macromolecole derivate dai tioesteri abbiano fornito la prima catalisi-enzima-simile per un premetabolismo.Il mondo dei tioesteri rappresenta un ipotetico stadio primitivo nello sviluppo della vita, poiché avrebbe potuto fornire la cornice energetica e catalitica per delle primitive reazioni premetaboliche che hanno portato dal primo mattone costitutivo della vita a un mondo ad RNA e, successivamente, hanno sostenuto il mondo a RNA fino a quando il metabolismo non ha avuto luogo.
Questa ipotesi implica che i tioesteri potrebbero essersi formati spontaneamente in una terra prebiotica. L’assemblaggio di tioli e acidi potrebbe essere avvenuto in un mezzo caldo e acido, anche in assenza di acqua. Queste idee sono speculative perché necessitano di correlazioni tra premetabolismo e metabolismo.Ci sono, comunque, prove sperimentali a sostegno del modello del mondo dei tioesteri.Alcuni ricercatori hanno ottenuto sotto plausibili condizioni prebiotiche le tre molecole: cistammina, beta-alanina e acido pantoico che danno vita alla panteina. La panteina è il tiolo biologico più importante e il principale catalizzatore nella maggior parte delle reazioni che coinvolgono i legami tioesteri.
Figura 9: Schema riassuntivo degli eventi che hanno determinato
la comparsa della vita secondo la teoria dell' RNA WORLD
In conclusione,le teorie circa l’origine e l’evoluzione della vita hanno suscitato storicamente molti dibattiti,a causa dell’obiettiva difficoltà di formulare ipotesi scientificamente valide disponendo di argomentazioni e considerazioni spesso incomplete e difficili da inquadrare in un disegno unitario.
Aspetti diversi della natura producono indizi differenti su cosa potrebbe essere avvenuto nel passato ed è difficile percepire l’intero disegno da un numero limitato di tessere del mosaico.Lo stesso insieme di osservazioni sperimentali potrebbe, inoltre,guidare a interpretazioni contrastanti.Questo è indicativo della nostra visione ristretta della natura. Essa spesso sfugge ai costrutti puramente teoretici e alle ampie generalizzazioni di tipo speculativo.
Un buon metodo scientifico deve,per questo, mantenere le proprie teorie flessibili ai cambiamenti basati sulle scoperte di nuovi tasselli del mosaico.
