L'origine della vita: l'evoluzione darwiniana è iniziata prima della vita stessa?

Uno studio condotto da scienziati dell'Università di Monaco mostra che le caratteristiche fondamentali delle molecole polimeriche, come la loro composizione delle subunità, sono sufficienti per innescare processi di selezione in un probabile contesto prebiotico.

Prima della comparsa della vita sulla Terra, molti processi fisici e chimici sul nostro pianeta erano estremamente caotici. Molti piccoli composti e polimeri di varia lunghezza, costituiti da subunità (come le basi trovate nel DNA e nell'RNA) erano presenti in ogni combinazione immaginabile.

Prima che potessero sorgere processi chimici realistici, il livello di caos in questi sistemi doveva essere ridotto. In un nuovo studio, la fisica LMU, guidata da Dieter Brown, ha dimostrato che le proprietà di base dei polimeri semplici, insieme a certi aspetti dell'ambiente prebiotico, possono portare a processi di selezione che riducono il disturbo.

In pubblicazioni precedenti, il team di ricerca di Brown ha esplorato come l'ordine spaziale potrebbe evolversi in camere strette piene d'acqua all'interno di rocce vulcaniche porose sul fondo del mare.

Questi studi hanno dimostrato che in presenza di una differenza di temperatura e di un fenomeno convettivo noto come effetto Soret, i filamenti di RNA possono accumularsi localmente di diversi ordini di grandezza, a seconda della lunghezza. "Il problema è che le sequenze di basi delle molecole più lunghe che otteniamo sono completamente caotiche", afferma Brown.

I ribozimi evoluti (enzimi basati su RNA) hanno una sequenza di basi molto specifica che consente alle molecole di piegarsi in forme specifiche, mentre la stragrande maggioranza degli oligomeri formati sulla Terra primordiale molto probabilmente aveva sequenze casuali.

"Il numero totale di possibili sequenze di base, noto come 'spazio sequenza', è incredibilmente ampio", afferma Patrick Koudella, il primo autore del nuovo rapporto.

"Questo rende quasi impossibile assemblare strutture complesse, caratteristiche di ribozimi funzionali o molecole comparabili, mediante un processo puramente casuale". Ciò ha portato il team LMU a sospettare che l'espansione di molecole per formare "oligomeri" più grandi sia soggetta a una sorta di meccanismo di preselezione.

Nei primi giorni di vita, c'erano solo pochi processi fisici e chimici molto semplici rispetto ai complessi meccanismi di replicazione cellulare, quindi la scelta delle sequenze deve essere basata sull'ambiente e sulle proprietà degli oligomeri.

È qui che entra in gioco la ricerca del gruppo di Brown. È importante per la funzione catalitica e la stabilità degli oligomeri che formino doppi filamenti simili alla ben nota struttura elicoidale del DNA. Questa è una proprietà elementare di molti polimeri e consente di creare complessi con parti sia a due che a filamento singolo. Le parti a filamento singolo possono essere riparate in due modi.

In primo luogo, dalla cosiddetta polimerizzazione, in cui i fili sono terminati con basi singole per formare fili doppi completi. L'altro è ciò che è noto come bendaggio. In questo processo, gli oligomeri più lunghi sono collegati insieme. Qui si formano sia parti a doppio filamento che a filamento singolo, che forniscono un'ulteriore crescita dell'oligomero.

"Il nostro esperimento inizia con un gran numero di brevi filamenti di DNA e nel nostro sistema modello per i primi oligomeri, utilizziamo solo due basi complementari: adenina e timina", afferma Dieter Braun. "Ipotizziamo che il collegamento di filamenti con sequenze casuali si traduca in filamenti più lunghi con sequenze di basi meno casuali".

Il team di Brown ha quindi analizzato le miscele di sequenze di questi esperimenti utilizzando un metodo utilizzato anche nell'analisi del genoma umano. Il test ha confermato che l'entropia della sequenza, cioè il grado di disordine o casualità nelle sequenze ricostruite, era effettivamente ridotta in questi esperimenti.

I ricercatori sono stati anche in grado di identificare le ragioni di questo ordine "autogenerante". Hanno scoperto che la maggior parte delle sequenze ottenute sono divise in due classi: con composizioni di base al 70% di adenina e al 30% di timina o viceversa.

"Con una proporzione significativamente più alta di una delle due basi, il filo non può piegarsi da solo e rimane un partner di reazione per la legatura", spiega Brown. Pertanto, la reazione praticamente non forma filamenti con metà di ciascuna delle due basi. "Vediamo anche piccole distorsioni nella composizione del pool di DNA corto che lasciano schemi motivazionali dipendenti dalla posizione, specialmente nei filamenti lunghi del prodotto", afferma Brown.

Il risultato ha sorpreso i ricercatori perché un filamento di due sole basi diverse con un rapporto di base specifico ha modi limitati di differenziarsi l'uno dall'altro. "Solo algoritmi speciali possono rilevare dettagli così sorprendenti", affermano gli scienziati.

Gli esperimenti mostrano che le caratteristiche più semplici e fondamentali degli oligomeri e del loro ambiente possono servire come base per processi selettivi. Anche in un sistema modello semplificato possono entrare in gioco diversi meccanismi di selezione, che influenzano la crescita dei filamenti a diverse scale di lunghezza e sono il risultato di diverse combinazioni di fattori.

Secondo Dieter Braun, questi meccanismi di selezione erano un prerequisito per la formazione di complessi cataliticamente attivi, come i ribozimi, e quindi giocavano un ruolo importante nell'emergere della vita dal caos.