I polimeri genetici RNA e DNA sono centrali per la memorizzazione delle informazioni in tutti i sistemi biologici, e come tale formano il nucleo della maggior parte delle ipotesi circa l’origine della vita. La più importante di queste teorie è l’ipotesi del “mondo dell’RNA”, che postula che un tempo l’RNA era sia il vettore centrale dell’informazione che il catalizzatore per le reazioni biochimiche sulla Terra prima dell’emergere della vita1. Tuttavia, gli studi negli ultimi anni (vedi rif. 2, per esempio) hanno suggerito che i primi sistemi genetici potrebbero essere stati basati su molecole di acido nucleico che contengono sia RNA e DNA nucleotidi, che poi gradualmente auto-separati in RNA e DNA di oggi. Scrivendo su Nature, Xu et al.3 offrono un affascinante supporto sperimentale per un mondo misto RNA-DNA.
Si pensa che i processi geochimici primordiali abbiano portato alla formazione degli elementi costitutivi degli acidi nucleici — nucleotidi e nucleosidi (nucleotidi che mancano di un gruppo fosfato). In condizioni adeguate, questi blocchi di costruzione polimerizzati e i fili risultanti alla fine replicati, senza l’assistenza dei moderni enzimi proteici.
Lavoratori dello stesso gruppo di ricerca di Xu et al. aveva precedentemente identificato4 una rete di reazioni promosse dalla luce ultravioletta che ha portato alla sintesi di due dei nucleosidi standard presenti nell’RNA: uridina (U) e citidina (C), che sono noti collettivamente come pirimidine (Fig. 1). Queste reazioni sono partite dall’acido cianidrico (HCN) e dai suoi derivati, molecole semplici che si pensava fossero facilmente disponibili sulla Terra primitiva. Ulteriori studi e lo sviluppo di questa rete di reazione hanno sollevato l’intrigante possibilità che i precursori di proteine e lipidi possano essere sorti simultaneamente accanto ai nucleosidi5 — fornendo così tre dei principali tipi di molecole necessarie per produrre le cellule. Tuttavia, una via complementare per la formazione degli altri due nucleosidi RNA standard (adenosina e guanosina, noti come purine) utilizzando la stessa chimica basata su HCN è rimasta sfuggente.
Figura 1 / Una rete di reazione che produce sia subunità DNA che RNA. Era noto che una rete di reazioni chimiche produce le subunità RNA citidina (C) e uridina (U), in condizioni che potrebbero essersi verificate sulla Terra prebiotica4. La rete parte dall’acido cianidrico (HCN) e procede attraverso un intermedio chiamato ribo-aminooxazolina (RAO). Xu et al.3 ora riportano che i composti noti come α-anidropirimidine prodotte nella via di C e U possono anche essere convertiti in parallelo nelle subunità del DNA deossiinosina (dI) e deossiadenosina (dA). Queste subunità possono formare coppie di basi con C e U. Le quattro subunità — C, U, dI e dA-costituiscono quindi un “alfabeto” genetico completo che potrebbe essere stato usato per codificare le informazioni biologiche sulla Terra primitiva.
Nel presente lavoro, Xu et al. composti rivisitati prodotti come intermedi nella rete di reazione precedentemente stabilita4 che sintetizza U e C. Hanno identificato una via in cui un intermedio chiave della sintesi pirimidinica-nucleosidica, ribo-aminooxazolina (RAO; Fig. 1), può anche essere convertito in due nucleosidi di DNA purinico, deossiadenosina (dA) e desossinosina (dI, che non è uno dei nucleosidi standard presenti nel DNA moderno). Fondamentalmente, questi nucleosidi del DNA possono formare coppie di basi con U e C. I quattro nucleosidi — U, C, dA e dI — costituiscono quindi un “alfabeto” completo che potrebbe aver codificato le informazioni genetiche negli acidi nucleici in un mondo prebiotico RNA–DNA.
È importante sottolineare che la sintesi di dA e dI può avvenire in parallelo con quella di U e C, producendo miscele dei quattro prodotti in rese e rapporti adatti alla costruzione di un sistema genetico. Questa compatibilità reciproca dei due percorsi sintetici aumenta la plausibilità della rete di reazione come sistema prebiotico — se le due sintesi fossero incompatibili, allora gli scenari geologici dovrebbero essere inventati per spiegare come potrebbero essere stati separati in diversi pool per consentire la chimica di verificarsi e quindi combinati per consentire la formazione di molecole ibride RNA–DNA. In particolare, in determinate condizioni di reazione, U e C possono sopravvivere solo in presenza dei composti tioanidropurinici che agiscono come precursori diretti di dA e dI.
Molte molecole organiche possono essere prodotte come versioni destre e sinistre, note come enantiomeri, che sono immagini speculari l’una dell’altra. Tuttavia, i nucleotidi moderni e i loro elementi costitutivi assumono tutti la stessa forma enantiomerica. Una delle principali difficoltà nella ricerca sulle origini della vita è spiegare come i singoli enantiomeri potrebbero essere stati generati da semplici molecole precursori che non hanno manualità e che potrebbero essersi formate sulla Terra prebiotica. La sintesi delle purine di Xu e colleghi è attraente in questo senso, perché è altamente selettiva per gli enantiomeri e altri isomeri dei nucleosidi osservati nella biologia moderna.
Sono state riportate vie alternative per la sintesi prebiotica combinata di nucleosidi e nucleotidi pirimidinici e purinici6,7. Queste vie richiedono l’uso di zuccheri chimicamente ed enantiomericamente puri come materie prime, il che pone il problema che altri processi prebiotici, spesso sconosciuti, sarebbero stati necessari per fornire tali materie prime8. Al contrario, l’enantioselettività riportata da Xu et al. deriva da RAO, che può cristallizzare come un singolo enantiomero da reazioni in cui i materiali di partenza sono quasi racemic9 (cioè, i materiali di partenza sono costituiti da una miscela quasi uguale di enantiomeri).
La sintesi nucleosidica può anche portare a prodotti in cui la base del nucleoside è attaccata allo zucchero nell’orientamento sbagliato. Nella via sintetica di Xu e dei colleghi, si verifica una riduzione chimica indotta dai raggi UV che porta alla distruzione sorprendentemente selettiva di questi sottoprodotti indesiderati, producendo in ultima analisi solo gli isomeri biologicamente rilevanti delle purine. Dato che la Terra primitiva era altamente irradiata dai raggi UV, la notevole selettività di questa reazione suggerisce un possibile meccanismo mediante il quale il pool totale di potenziali isomeri dell’acido nucleico è stato ridotto al sottoinsieme di isomeri osservati oggi in natura.
Il lavoro di Xu e colleghi supporta una visione dell’evoluzione molecolare precoce in qualche modo rimossa dall’ipotesi convenzionale del mondo RNA’ puro‘, e forse offre un percorso più plausibile per l’origine della vita da ambienti chimici misti e complessi. Data la mancanza di “fossili chimici” e l’incertezza sulle condizioni esatte e la chimica che si sono verificate sulla Terra primitiva, è impossibile dire quali percorsi chimici abbiano effettivamente avuto luogo. Invece, dobbiamo garantire che i sistemi proposti si conformino il più possibile alla nostra comprensione di ciò che potrebbe realisticamente essere accaduto sulla Terra prebiotica — non solo la chimica, ma anche la complessità complessiva delle reti di reazione e la loro compatibilità con altri processi.
Nel lavoro attuale, gli autori mostrano che i quattro nucleosidi, infatti, può essere prodotta attraverso processi che si potrebbe ragionevolmente aspettare che si sono verificati sulla Terra primordiale (come l’idrolisi, l’essiccazione e l’irradiazione UV), e fornire plausibili vie sintetiche che potrebbero fornire le reazioni con i loro richiesto materiali di partenza. Tuttavia, come per tutte le sintesi prebiotiche, rimane difficile immaginare il microambiente reale che avrebbe potuto supportare le molte trasformazioni chimiche specifiche necessarie per produrre i mattoni della vita in quantità.
Tuttavia, il lavoro di Xu e colleghi dimostra in modo impressionante come un alfabeto genetico completo potrebbe essere sorto. Indipendentemente dal fatto che pensiamo che la vita si sia sviluppata solo dall’RNA, o da miscele più complesse di acidi nucleici, il pensiero a livello di sistemi per trovare percorsi chimici prebiotici reciprocamente compatibili sarà cruciale per lo sviluppo di modelli veramente plausibili delle prime fasi dell’emergenza della vita.