Modellare le origini della vita: nuove prove per un “mondo a RNA”

Modellare le origini della vita: nuove prove per un “mondo a RNA”

Gli scienziati del Salk svelano le capacità dell’RNA che consentono l’evoluzione darwiniana su scala molecolare e avvicinano i ricercatori alla produzione di vita autonoma dell’RNA in laboratorio

LA JOLLA—Charles Darwin descrisse l'evoluzione come "discesa con modificazioni". Le informazioni genetiche sotto forma di sequenze di DNA vengono copiate e tramandate da una generazione a quella successiva. Ma questo processo deve anche essere alquanto flessibile, consentendo la comparsa nel tempo di leggere variazioni dei geni e l’introduzione di nuovi tratti nella popolazione.

Ma come è iniziato tutto questo? All’origine della vita, molto prima delle cellule, delle proteine ​​e del DNA, un simile tipo di evoluzione avrebbe potuto avere luogo su scala più semplice? Negli anni ’1960 gli scienziati, tra cui il collega Salk Leslie Orgel, proposero che la vita fosse iniziata con il “mondo dell’RNA”, un’era ipotetica in cui piccole molecole filamentose di RNA governavano la Terra primordiale e stabilivano le dinamiche dell’evoluzione darwiniana.

Una nuova ricerca presso il Salk Institute fornisce ora nuove informazioni sulle origini della vita, presentando prove convincenti a sostegno dell’ipotesi del mondo a RNA. Lo studio, pubblicato in Atti della National Academy of Sciences (PNAS) il 4 marzo 2024, svela un enzima RNA in grado di creare copie accurate di altri filamenti di RNA funzionali, consentendo allo stesso tempo a nuove varianti della molecola di emergere nel tempo. Queste notevoli capacità suggeriscono che le prime forme di evoluzione potrebbero essersi verificate su scala molecolare nell’RNA.

I risultati avvicinano inoltre gli scienziati alla ricreazione della vita basata sull’RNA in laboratorio. Modellando questi ambienti primitivi in ​​laboratorio, gli scienziati possono testare direttamente le ipotesi su come la vita potrebbe aver avuto inizio sulla Terra, o anche su altri pianeti.

"Stiamo inseguendo l'alba dell'evoluzione", afferma l'autore senior e presidente del Salk Gerald Joyce. "Rivelando queste nuove capacità dell'RNA, stiamo scoprendo le potenziali origini della vita stessa e come semplici molecole avrebbero potuto aprire la strada alla complessità e alla diversità della vita che vediamo oggi."

Gli scienziati possono usare il DNA per tracciare la storia dell’evoluzione dalle piante e dagli animali moderni fino ai primi organismi unicellulari. Ma cosa sia successo prima non è ancora chiaro. Le eliche di DNA a doppio filamento sono ottime per immagazzinare informazioni genetiche. Molti di questi geni alla fine codificano per proteine, complesse macchine molecolari che svolgono tutti i tipi di funzioni per mantenere in vita le cellule. Ciò che rende unico l’RNA è che queste molecole possono fare un po’ entrambe le cose. Sono costituiti da sequenze nucleotidiche estese, simili al DNA, ma possono anche agire come enzimi per facilitare le reazioni, proprio come le proteine. Quindi, è possibile che l’RNA sia servito da precursore alla vita come la conosciamo?

Scienziati come Joyce esplorano questa idea da anni, con particolare attenzione ai ribozimi della RNA polimerasi, molecole di RNA che possono creare copie di altri filamenti di RNA. Negli ultimi dieci anni, Joyce e il suo team hanno sviluppato in laboratorio i ribozimi della RNA polimerasi, utilizzando una forma di evoluzione diretta per produrre nuove versioni in grado di replicare molecole più grandi. Ma la maggior parte presenta un difetto fatale: non è in grado di copiare le sequenze con una precisione sufficientemente elevata. 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 hanno perso completamente la loro funzione.

Fino ad ora. L'ultimo ribozima della RNA polimerasi sviluppato in laboratorio include 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 copiato è una “testa di martello”, una piccola molecola che taglia in pezzi altre molecole di RNA. I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che non solo il ribozima della RNA polimerasi replica accuratamente gli squali martello funzionali, ma nel tempo hanno cominciato ad emergere nuove varianti degli squali martello. Queste nuove varianti si comportavano in modo simile, ma le loro mutazioni le rendevano più facili da replicare, il che aumentava la loro idoneità evolutiva e li portava infine a dominare la popolazione di squali martello del laboratorio.

"Ci siamo chiesti a lungo quanto fosse semplice la vita all'inizio e quando abbia acquisito la capacità di iniziare a migliorarsi", 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 sostenere l’evoluzione darwiniana, e quella potrebbe essere stata la scintilla che ha permesso alla vita di diventare più complessa, passando dalle molecole alle cellule fino agli organismi multicellulari”.

I risultati evidenziano l’importanza fondamentale della fedeltà della replicazione nel rendere possibile l’evoluzione. L'accuratezza della copiatura della RNA polimerasi deve superare una soglia critica per mantenere le informazioni ereditabili per più generazioni, e questa soglia sarebbe aumentata man mano che gli RNA in evoluzione aumentavano in dimensioni e complessità.

Il team di Joyce sta ricreando questo processo in provette di laboratorio, applicando una crescente pressione selettiva sul 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 realizzata entro il prossimo decennio.

Gli scienziati sono anche interessati a cos’altro potrebbe accadere una volta che questo mini “RNA World” avrà acquisito maggiore autonomia.

"Abbiamo visto che la pressione selettiva può migliorare gli RNA con una funzione esistente, ma se lasciamo che il sistema si evolva più a lungo con popolazioni più grandi di molecole di RNA, è possibile inventare nuove funzioni?" dice il coautore David Horning, uno scienziato del laboratorio di Joyce. “Siamo entusiasti di rispondere alle domande su come i primi anni di vita potrebbero aumentare la propria complessità, utilizzando gli strumenti sviluppati qui a Salk”.

I metodi utilizzati nel laboratorio Joyce aprono anche la strada a futuri esperimenti che testano altre idee sulle origini della vita, comprese quali condizioni ambientali avrebbero potuto supportare meglio l’evoluzione dell’RNA, sia sulla Terra che su altri pianeti.

Il lavoro è stato sostenuto dalla NASA (80NSSC22K0973) e dalla Simons Foundation (287624).

DOI: 10.1073 / pnas.2321592121