La vita sulla Terra è nata in una goccia di pioggia

Roma – Una delle principali domande senza risposta sull’origine della vita è come le goccioline di RNA che fluttuavano nel brodo primordiale si siano trasformate in “pacchetti di vita” protetti da membrane che chiamiamo cellule. Un nuovo studio condotto da ingegneri della Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) dell’Università di Chicago, dal Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università di Houston e da biologi del Dipartimento di Chimica dell’Università di Chicago, propone una nuova soluzione. Nello studio, pubblicato sulla rivista Science Advances, i ricercatori mostrano come l’acqua piovana potrebbe aver contribuito a creare una parete a maglie attorno alle protocellule 3,8 miliardi di anni fa, un passaggio fondamentale nella transizione da minuscole perle di RNA a ogni batterio, pianta, animale ed essere umano mai esistito. “Si tratta di un’osservazione distintiva e innovativa”, scrive il preside emerito PME dell’UChicago, Matthew Tirrell. La ricerca esamina le “goccioline coacervate”, compartimenti naturali di molecole complesse come proteine, lipidi e RNA. Le goccioline, che si comportano come gocce di olio da cucina nell’acqua, sono state a lungo considerate candidate per le prime protocellule. Ma c’era un problema: non che non potessero scambiarsi molecole tra loro, un passaggio fondamentale nell’evoluzione, ma che lo facevano troppo bene e troppo velocemente. Ogni gocciolina contenente una nuova mutazione pre-vita potenzialmente utile dell’RNA scambierebbe questo RNA con le altre goccioline di RNA nel giro di pochi minuti, il che significa che diventerebbero rapidamente tutte uguali. Non ci sarebbe differenziazione né competizione, il che significa nessuna evoluzione. E questo significa niente vita. “Se le molecole si scambiano continuamente tra goccioline o tra cellule, dopo un po’ tutte le cellule saranno uguali e non ci sarà evoluzione perché si otterranno cloni identici”, dice il ricercatore post-dottorato PME dell’UChicago, Aman Agrawal. Nei primi anni 2000, il biologo premio Nobel Jack Szostak, che ha preso parte allo studio, iniziò a considerare l’RNA come il primo materiale biologico da sviluppare. Risolse un problema che aveva a lungo ostacolato i ricercatori che consideravano il DNA o le proteine ​​come le prime molecole della vita. “È come il problema dell’uovo e della gallina. Cosa è nato prima?”, dice Agrawal. “Il DNA è la molecola che codifica le informazioni, ma non può svolgere alcuna funzione. Le proteine ​​sono le molecole che svolgono funzioni, ma non codificano alcuna informazione ereditaria”, aggiunge. Ricercatori come Szostak hanno teorizzato che l’RNA sia nato prima, “prendendosi cura di tutto”, per usare le parole di Agrawal, e che da esso si siano lentamente evolute proteine ​​e DNA. “L’RNA è una molecola che, come il DNA, può codificare informazioni, ma si ripiega anche come le proteine ​​in modo da poter svolgere funzioni come la catalisi”, aggiunge Agrawal. L’RNA era un probabile candidato per il primo materiale biologico. Le goccioline di coacervato erano probabili candidate per le prime protocellule. Le goccioline di coacervato contenenti le prime forme di RNA sembravano un naturale passo successivo. Questo fino a quando Szostak non ha raffreddato questa teoria, pubblicando un articolo nel 2014 che dimostrava che l’RNA nelle goccioline di coacervato si scambiava troppo rapidamente. “Si possono creare tutti i tipi di goccioline di diversi tipi di coacervati, ma non mantengono la loro identità separata. Tendono a scambiare il loro contenuto di RNA troppo rapidamente. Questo è un problema di vecchia data”, dice Szostak. “Quello che abbiamo dimostrato in questo nuovo articolo – continua – è che è possibile superare almeno una parte di quel problema trasferendo queste goccioline di coacervati in acqua distillata, ad esempio, acqua piovana o acqua dolce di qualsiasi tipo, e ottengono una specie di pelle dura attorno alle goccioline che impedisce loro di scambiare il contenuto di RNA”. Agrawal ha iniziato a trasferire goccioline di coacervato in acqua distillata durante la sua ricerca di dottorato presso l’Università di Houston, studiandone il comportamento sotto un campo elettrico. A questo punto, la ricerca non aveva nulla a che fare con l’origine della vita. Agrawal voleva studiare altre proprietà fondamentali dei coacervati durante il suo dottorato. Durante un pranzo con Agrawal e Alamgir Karim dell’Università di Houston, ex relatore di tesi di Agrawal e coautore senior del nuovo articolo, Tirrell ha sollevato il problema di come la ricerca sugli effetti dell’acqua distillata sulle goccioline di coacervato potrebbe essere correlata all’origine della vita sulla Terra. Tirrell ha chiesto dove sarebbe esistita l’acqua distillata 3,8 miliardi di anni fa. “Ho detto spontaneamente ‘acqua piovana!’ I suoi occhi si sono illuminati ed era molto eccitato per il suggerimento”, dice Karim. Tirrell portò la ricerca di Agrawal sull’acqua distillata a Szostak, che si era da poco unito all’Università di Chicago per guidare quella che allora era chiamata Origins of Life Initiative. Poneva la stessa domanda che aveva fatto a Karim. “Gli ho chiesto: ‘Da dove pensi che potrebbe venire l’acqua distillata in un mondo prebiotico?'”, ricorda Tirrell. “E Jack ha detto esattamente quello che speravo dicesse, ovvero pioggia”, aggiunge. Lavorando con campioni di RNA di Szostak, Agrawal ha scoperto che il trasferimento di goccioline di coacervato in acqua distillata aumentava la scala temporale dello scambio di RNA, da pochi minuti a diversi giorni. Questo era abbastanza lungo per la mutazione, la competizione e l’evoluzione. “Se hai popolazioni di protocellule instabili, scambieranno il loro materiale genetico tra loro e diventeranno cloni. Non c’è possibilità di evoluzione darwiniana”, dice Agrawal. “Ma se si stabilizzano contro lo scambio in modo da conservare le loro informazioni genetiche abbastanza bene, almeno per diversi giorni in modo che le mutazioni possano verificarsi nelle loro sequenze genetiche, allora una popolazione può evolversi”, aggiunge. Inizialmente, Agrawal ha effettuato sperimentazioni con acqua deionizzata, che viene purificata in condizioni di laboratorio. “Ciò ha spinto i revisori della rivista a chiedersi cosa sarebbe successo se l’acqua piovana prebiotica fosse stata molto acida”, racconta lo scienziato. L’acqua di laboratorio commerciale è priva di contaminanti, non contiene sale e ha un pH neutro perfettamente bilanciato tra base e acido. In breve, è il massimo che un materiale possa avere dalle condizioni del mondo reale. Avevano bisogno di lavorare con un materiale più simile alla pioggia vera e propria. “Abbiamo semplicemente raccolto l’acqua piovana a Houston e testato la stabilità delle nostre goccioline al suo interno, solo per assicurarci che ciò che stiamo segnalando sia accurato”, afferma Agrawal. Nei test con l’acqua piovana vera e propria e con acqua di laboratorio modificata per imitare l’acidità dell’acqua piovana, hanno trovato gli stessi risultati. Le pareti reticolate si sono formate, creando le condizioni che avrebbero potuto portare alla vita. La composizione chimica della pioggia caduta su Houston negli anni ’20 non è la pioggia che sarebbe caduta 750 milioni di anni dopo la formazione della Terra, e lo stesso si può dire per il modello di sistema protocellulare testato da Agrawal. Il nuovo articolo dimostra che questo approccio di costruzione di una parete a maglie attorno alle protocellule è possibile e può funzionare insieme per compartimentare le molecole della vita, avvicinando i ricercatori più che mai alla scoperta del giusto insieme di condizioni chimiche e ambientali che consentano alle protocellule di evolversi. (30Science.com)