Uno studio che avvicina gli scienziati all’origine dell’RNA

Una delle maggiori domande della scienza è come la vita è nata dalla zuppa chimica che esisteva sulla Terra. Una teoria è che l’RNA, un parente stretto del DNA, fu la prima molecola genetica a sorgere circa 4 miliardi di anni fa, ma in una forma primitiva che in seguito si è evoluta in molecole di RNA e DNA che abbiamo nella vita oggi. Una nuova ricerca mostra un modo in cui questa catena di eventi potrebbe essere iniziata.

Oggi, le informazioni genetiche sono archiviate nel DNA. L’RNA viene creato dal DNA per mettere in atto tali informazioni. L’RNA può dirigere la creazione di proteine ​​ed eseguire altre funzioni essenziali della vita che il DNA non può svolgere. La versatilità dell’RNA è una delle ragioni per cui gli scienziati pensano che questo polimero sia arrivato per primo, con il DNA che si è evoluto in seguito come un modo migliore per conservare le informazioni genetiche per il lungo raggio. Ma come il DNA, anche l’RNA potrebbe essere un prodotto dell’evoluzione, teorizzano gli scienziati.

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Immagine al microscopio a forza atomica di strutture formate dall’autoassemblaggio di nucleosidi TAP-ribosio con acido cianurico. Credito: Nicholas Hud.

I chimici del Georgia Institute of Technology hanno dimostrato come le molecole che potrebbero essere state presenti sulla Terra in anticipo possano auto-assemblare in strutture che potrebbero rappresentare un punto di partenza dell’RNA. La formazione spontanea di elementi costitutivi dell’RNA è vista come un passaggio cruciale nell’origine della vita, ma con cui gli scienziati hanno lottato per decenni.

“Nel nostro studio, dimostriamo una reazione che riteniamo importante per la formazione delle prime molecole simili all’RNA”, ha affermato Nicholas Hud, professore di Chimica e Biochimica presso la Georgia Tech, dove è anche direttore del Center for Chemical Evolution. Lo studio è stato pubblicato il 14 dicembre online sul Journal of American Chemical Society . La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e dalla NASA.

L’RNA è perfetto per i ruoli che ricopre oggi nella vita, ha detto Hud, ma chimicamente è straordinariamente difficile da interpretare. Ciò suggerisce che l’RNA si è evoluto da accoppiamenti chimici più semplici. Man mano che la vita diventava chimicamente più complessa e nacquero gli enzimi, le pressioni evolutive avrebbero spinto il pre-RNA nel più raffinato RNA moderno. L’RNA è composto da tre componenti chimici: lo zucchero ribosio, le basi e il fosfato. Un’unità ribosio-base-fosfato si collega con altre unità ribosio-base-fosfato per formare un polimero RNA. Capire come il legame tra le basi e il ribosio si sia formato per la prima volta è stato un problema difficile da affrontare nelle origini del campo di vita, ha detto Hud.

Nello studio, il team di Hud ha studiato basi che sono chimicamente correlate alle basi dell’RNA moderno, ma che potrebbero essere in grado di legarsi spontaneamente con il ribosio e riunirsi con altre basi attraverso le stesse interazioni che consentono a DNA e RNA di memorizzare informazioni. Sono entrati a far parte di una molecola chiamata triaminopyrimidine (TAP). I ricercatori hanno mescolato TAP con ribosio in condizioni pensate per imitare uno stagno essiccato sulla Terra. TAP e ribosio hanno reagito insieme ad alto rendimento, con fino all’80 percento di TAP convertito in nucleosidi, che è il nome dell’unità ribosio-base di RNA. Tentativi precedenti di formare un legame ribosio-base con le attuali basi di RNA in reazioni simili avevano fallito o prodotto nucleosidi con rese molto basse.

“Questo studio è importante nel mostrare un passo fattibile per come ottenere l’inizio di una molecola simile all’RNA, ma anche come i blocchi costitutivi dei primi polimeri simili all’RNA si sarebbero potuti trovare e autoassemblare in quello che sarebbe stato una miscela molto complessa di sostanze chimiche “, ha detto Hud.

I ricercatori hanno dimostrato questa proprietà dei nucleosidi TAP aggiungendo un’altra molecola alla loro miscela di reazione, chiamata acido cianurico, che è noto per interagire con TAP. Anche nella miscela di reazione non purificata, si sono formati polimeri non covalenti con migliaia di nucleosidi accoppiati.

“È sorprendente che questi nucleosidi e basi si assemblano da soli, poiché la vita oggi richiede enzimi complessi per riunire i blocchi di RNA e ordinarli spazialmente prima della polimerizzazione”, ha dichiarato Brian Cafferty, uno studente laureato presso la Georgia Tech e co- autore dello studio

Lo studio ha dimostrato un possibile modo in cui i mattoni per un antenato dell’RNA avrebbero potuto riunirsi sulla Terra. TAP è un candidato intrigante per una delle prime basi che alla fine ha portato alle moderne molecole di RNA, ma ce ne sono sicuramente altre, ha detto Hud. Il lavoro futuro, nel laboratorio di Hud e di altri laboratori del Center for Chemical Evolution, esaminerà le origini della spina dorsale del fosfato dell’RNA, nonché altri percorsi verso l’RNA moderno.

“Stiamo cercando una chimica semplice e robusta in grado di spiegare la prima origine dell’RNA o del suo antenato”, ha affermato Hud.

Le molecole si riuniscono in acqua, accennando alle origini della vita

le coppie di basi che tengono insieme due pezzi di RNA, il cugino più anziano del DNA, sono alcune delle interazioni molecolari più importanti nelle cellule viventi. Molti scienziati ritengono che queste coppie di basi facessero parte della vita sin dall’inizio e che l’RNA fosse uno dei primi polimeri della vita. Ma c’è un problema. Le basi di RNA non formano coppie di basi in acqua a meno che non siano collegate a una spina dorsale polimerica, un tratto che ha sconcertato gli scienziati dell’origine della vita per decenni. Se le basi non si accoppiassero prima di far parte dei polimeri, come sarebbero state selezionate le basi tra le molte molecole nella “zuppa prebiotica” in modo da formare polimeri di RNA?

I ricercatori del Georgia Institute of Technology stanno esplorando una teoria alternativa per l’origine dell’RNA: pensano che le basi dell’RNA possano essersi evolute da una coppia di molecole distinte dalle basi che abbiamo oggi. Questa teoria sembra sempre più attraente, poiché il gruppo Georgia Tech è stato in grado di ottenere un autoassemblaggio efficiente e altamente ordinato in acqua con piccole molecole simili alle basi dell’RNA. Queste “basi proto-RNA” si assemblano spontaneamente in pile lineari di lunghezza genica, suggerendo che i geni della vita avrebbero potuto iniziare da queste o molecole simili. La ricerca è pubblicata online sul Journal of American Chemical Society .

La scoperta è stata fatta da un team di scienziati guidati dal professor Nicholas Hud della Georgia Tech, che ha cercato per anni di trovare molecole semplici che si riuniranno in acqua e saranno in grado di formare l’RNA o il suo antenato. Il gruppo di Hud sapeva che stavano succedendo qualcosa quando hanno aggiunto una piccola coda chimica a una base proto-RNA e l’hanno vista spontaneamente formare assiemi lineari con un’altra base proto-RNA. In alcuni casi, i risultati hanno prodotto 18.000 molecole ordinate e ordinate in un’unica struttura lunga.

“Pensare all’origine dell’RNA mi ricorda il paradosso dell’ascia di tuo nonno”, ha detto Hud, professore alla School of Chemistry and Biochemistry. “Se tuo padre ha cambiato la maniglia e tu hai cambiato la testa, è la stessa ascia? Vediamo l’RNA allo stesso modo. La sua struttura chimica potrebbe essere cambiata nel tempo, ma era in uso continuo quindi possiamo considerarlo lo stesso molecola.”

Hud ammette che gli scienziati potrebbero non essere mai sicuri al 100% di ciò che esisteva quattro miliardi di anni fa quando una complessa miscela di sostanze chimiche ha iniziato a lavorare insieme per iniziare la vita. Il suo prossimo obiettivo è determinare se le basi del proto-RNA possono essere collegate da una spina dorsale per formare un polimero che avrebbe potuto funzionare come materiale genetico. Georgia Tech ha collaborato con l’Istituto di ricerca in biomedicina di Barcellona, ​​in Spagna, sul progetto. Il sistema bicomponente autoassemblante del proto- RNA consisteva in acido cianurico (CA) e TAPAS, un derivato della triaminopirimidina (TAP).

Oltre a rispondere alle domande sull’origine della vita, Hud suggerisce che il processo di autoassemblaggio potrebbe essere utilizzato in futuro per creare nuovi materiali, come i nanofili.

Le molecole altruiste potrebbero aver contribuito a dare alla luce il materiale genetico della vita 

Una delle maggiori domande che gli scienziati devono affrontare oggi è come è iniziata la vita. In che modo le molecole non viventi si unirono in quella melma primordiale per formare i polimeri della vita? Gli scienziati del Georgia Institute of Technology hanno scoperto che le piccole molecole avrebbero potuto agire come “ostetriche molecolari” nell’aiutare i mattoni del materiale genetico della vita a formare lunghe catene e potrebbero aver contribuito a selezionare le coppie di basi della doppia elica del DNA. La ricerca appare nella prima edizione online di Proceedings of National Academy of Sciences a partire dall’8 marzo 2010.

“La nostra ipotesi è che prima che esistessero enzimi proteici per produrre DNA e RNA , c’erano piccole molecole presenti sulla Terra pre-biotica che aiutavano a produrre questi polimeri promuovendo l’autoassemblaggio molecolare”, ha affermato Nicholas V. Hud, professore a scuola di chimica e biochimica presso il Georgia Institute of Technology. “Abbiamo scoperto che la molecola di etidio può aiutare gli oligonucleotidi corti a formare polimeri lunghi e può anche selezionare la struttura delle coppie di basi che tengono insieme due filamenti di DNA”.

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Uno dei maggiori problemi nel formare un polimero è che, man mano che cresce, le sue due estremità spesso reagiscono tra loro invece di formare catene più lunghe. Il problema è noto come ciclizzazione del filo, ma Hud e il suo team hanno scoperto che l’uso di una molecola che si lega tra le coppie di basi di DNA vicine, noto come intercalatore, può riunire brevi pezzi di DNA e RNA in un modo che li aiuti a creare molto più a lungo molecole.

“Se hai l’intercalatore presente, puoi ottenere polimeri. Senza intercalatore, non funziona, è così semplice”, ha detto Hud.

Hud e il suo team hanno anche testato quanta influenza avrebbe potuto avere una molecola di ostetrica sulla creazione delle coppie di basi Watson-Crick del DNA (coppie A con T e coppie G con C). Hanno scoperto che l’ostetrica utilizzata potrebbe determinare la struttura di accoppiamento di base dei polimeri che si sono formati. L’etidio è stato molto utile per formare polimeri con coppie di basi Watson-Crick. Un’altra molecola che chiamano aza3 ha prodotto polimeri in cui ogni base A è accoppiata con un’altra A.

“Nel nostro esperimento, abbiamo scoperto che le molecole di ostetrica presenti hanno avuto un effetto diretto sul tipo di coppie di basi che si sono formate. Non stiamo dicendo che l’etidio fosse l’ostetrica originale, ma abbiamo dimostrato che il principio di una molecola piccola che lavora come ostetrica è sana. Nel nostro laboratorio, ora stiamo cercando l’identità di una molecola che avrebbe potuto aiutare a creare i primi polimeri genetici, una sorta di molecola “altruista” che non faceva parte dei primi polimeri genetici, ma era fondamentale per la loro formazione “, ha detto Hud.

I chimici creano nuovi polimeri aggiungendo coppie di basi di DNA

I chimici della Virginia Tech stanno creando nuovi polimeri aggiungendo coppie di basi di DNA. Gli attributi includono un comportamento estensibile migliorato e film e rivestimenti polimerici autorigeneranti. La ricerca sarà presentata al 232 ° incontro nazionale dell’American Chemical Society a San Francisco dal 10 al 14 settembre 2006. Le coppie di basi sono i nucleotidi su ciascun lato dei pioli che collegano i fili della scala del DNA. Coppie di adenina con timina; coppie di citosina con guanina.

Brian Mather di Albuquerque, uno studente laureato in ingegneria chimica che sta lavorando con il professore di chimica Timothy E. Long al College of Science della Virginia Tech, sta studiando come queste molecole si riconoscano reciprocamente nei complessi supramolecolari. Sta attaccando l’adenina e la timina come sequenze esterne di copolimeri triblock. Questi sono polimeri in cui le unità di una catena molecolare sono collegate in blocchi della stessa struttura (xxxxxxxyyyyyyyyzzzzzzzz) piuttosto che mescolate casualmente. “I copolimeri a blocchi contenenti coppie di basi sono usati come precursori per il successivo riconoscimento molecolare”, ha affermato Long.

“Stiamo cercando di integrare la biologia molecolare con la scienza macromolecolare tradizionale al fine di sintetizzare nuove famiglie di elastomeri. Le coppie di basi si dissociano quando riscaldate e consentono al polimero di fluire facilmente nello stato di fusione, facilitando il processo con meno energia”, ha detto Lungo. “Quando il copolimero triblock si raffredda, le coppie si riconnettono e offrono elasticità desiderabili e possibilità di riconoscimento molecolare.”

Ha detto: “La concentrazione delle coppie di basi può essere molto bassa perché sono squisite nel riconoscersi. La forza del riconoscimento è alta e sintonizzabile”.

Il materiale riscaldato viene versato in uno stampo o applicato su una superficie per diventare un film sottile. “Riteniamo di poter creare superfici termo-reversibili o autorigeneranti, come un parabrezza che si liscia se si genera una piccola crepa”, ha dichiarato Long. La tecnologia è oggetto di indagine da parte del Centro di eccellenza dei materiali multistrato per strutture corazzate e compositi (MultiTASC) presso il Virginia Tech con il finanziamento dell’Esercito Research Laboratory.

“Questa ricerca potrebbe anche giovare al sud-ovest della Virginia”, ha affermato Long. “Potrebbe essere la base delle tecnologie biomateriali sviluppate dal Virginia-Maryland Regional College of Veterinary Medicine o dal Virginia College of Osteopathic Medicine qui e che un’azienda locale potrebbe produrre. The Macromolecular Interfaces with Life Sciences (MILES) National Science Foundation Integrate Graduate Il programma IGERT (Education and Research Traineeship) presso Virginia Tech facilita questo tipo di scoperte. “

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