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 tramite RNA in laboratorio

LA JOLLA—Charles Darwin descrisse l'evoluzione come "discendenza con modificazione". Le informazioni genetiche sotto forma di sequenze di DNA vengono copiate e tramandate di generazione in generazione. Ma questo processo deve anche essere in qualche modo flessibile, consentendo che piccole variazioni nei geni si verifichino nel tempo e introducano nuovi tratti nella popolazione.

Ma come è iniziato tutto questo? Alle origini della vita, molto prima di cellule, proteine e DNA, un'evoluzione simile avrebbe potuto aver luogo su scala più semplice? Negli anni '1960, gli scienziati, tra cui Leslie Orgel, membro del Salk Fellow, proposero che la vita avesse avuto inizio con il "Mondo a RNA", un'era ipotetica in cui piccole molecole di RNA filamentose dominavano la Terra primordiale e stabilivano le dinamiche dell'evoluzione darwiniana.

Una nuova ricerca del Salk Institute fornisce ora nuove intuizioni sulle origini della vita, presentando prove convincenti a sostegno dell'ipotesi del mondo a RNA. Lo studio, pubblicato su Atti della National Academy of Sciences (PNAS) Il 4 marzo 2024, verrà svelato un enzima a RNA in grado di produrre copie accurate di altri filamenti di RNA funzionali, consentendo al contempo l'emergere nel tempo di nuove varianti della molecola. Queste straordinarie capacità suggeriscono che le prime forme di evoluzione potrebbero essersi verificate su scala molecolare nell'RNA.

Questi risultati avvicinano ulteriormente gli scienziati alla possibilità di ricreare la vita basata sull'RNA in laboratorio. Modellando questi ambienti primitivi in laboratorio, gli scienziati possono testare direttamente le ipotesi su come la vita potrebbe essere iniziata sulla Terra, o persino su altri pianeti.

"Stiamo inseguendo l'alba dell'evoluzione", afferma l'autore senior e presidente del Salk Gerald Joyce"Svelando queste nuove capacità dell'RNA, stiamo scoprendo le potenziali origini della vita stessa e come semplici molecole potrebbero aver aperto la strada alla complessità e alla diversità della vita che osserviamo 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 c'è stato prima rimane poco chiaro. Le eliche del DNA a doppio filamento sono ottime per immagazzinare informazioni genetiche. Molti di questi geni in ultima analisi codificano per proteine, complesse macchine molecolari che svolgono ogni sorta di funzione per mantenere in vita le cellule. Ciò che rende l'RNA unico è che queste molecole possono svolgere entrambe le funzioni. Sono composte 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 stato il precursore della vita come la conosciamo?

Scienziati come Joyce esplorano questa idea da anni, con particolare attenzione ai ribozimi RNA polimerasi, molecole di RNA in grado di replicare altri filamenti di RNA. Nell'ultimo decennio, Joyce e il suo team hanno sviluppato ribozimi RNA polimerasi in laboratorio, utilizzando una forma di evoluzione guidata per produrre nuove versioni in grado di replicare molecole più grandi. Ma la maggior parte di questi ha un difetto fatale: non sono in grado di copiare le sequenze con un'accuratezza sufficientemente elevata. Nel corso di molte generazioni, vengono introdotti così tanti errori nella sequenza 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 RNA polimerasi sviluppato in laboratorio include una serie di mutazioni cruciali che gli consentono di copiare un filamento di RNA con una precisione molto più elevata.

In questi esperimenti, il filamento di RNA copiato è un "martello", una piccola molecola che scinde altre molecole di RNA in frammenti. I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che non solo il ribozima dell'RNA polimerasi replicava accuratamente i martelli funzionanti, ma che nel tempo hanno iniziato a emergere nuove varianti di questi animali. Queste nuove varianti si comportavano in modo simile, ma le loro mutazioni le rendevano più facili da replicare, il che ne aumentava l'idoneità evolutiva e le portava infine a dominare la popolazione di martelli del laboratorio.

"Ci siamo chiesti a lungo quanto fosse semplice la vita ai suoi albori e quando abbia acquisito la capacità di iniziare a migliorarsi", afferma il primo autore Nikolaos Papastavrou, 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 di singole molecole potrebbe aver sostenuto l'evoluzione darwiniana, e questa potrebbe essere stata la scintilla che ha permesso alla vita di diventare più complessa, passando dalle molecole alle cellule agli organismi multicellulari".

I risultati evidenziano l'importanza cruciale della fedeltà di replicazione nel rendere possibile l'evoluzione. L'accuratezza della copiatura dell'RNA polimerasi deve superare una soglia critica per mantenere l'informazione ereditaria per più generazioni, e questa soglia sarebbe aumentata con l'aumentare delle dimensioni e della complessità degli RNA in evoluzione.

Il team di Joyce sta ricreando questo processo in provetta, applicando una pressione selettiva crescente sul sistema per produrre polimerasi più performanti, con l'obiettivo di produrre un giorno una RNA polimerasi in grado di replicarsi. Questo segnerebbe l'inizio della vita autonoma dell'RNA in laboratorio, un obiettivo che, secondo i ricercatori, potrebbe essere raggiunto entro il prossimo decennio.

Gli scienziati sono anche interessati a scoprire cos'altro potrebbe accadere una volta che questo mini "mondo a RNA" 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, si possono inventare nuove funzioni?", afferma il coautore David Horning, scienziato del laboratorio di Joyce. "Siamo entusiasti di scoprire come la vita nelle fasi iniziali potrebbe aumentare la propria complessità, utilizzando gli strumenti sviluppati qui al Salk."

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

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

DOI: 10.1073 / pnas.2321592121