Università degli Studi di Pavia
Il mondo a RNA
Daniele Dondi
É nato prima l’uovo o la gallina?
Informazione
DNA
Catalisi
RNA
Proteine
Miglior candidato, sia come
catalizzatore che come
magazzino di informazione
(uovo E gallina)
Ribozimi
Thomas Cech
Sidney Altman
Alcuni tipi di RNA possono fungere da enzimi
verso se stessi, tagliandosi in due e
ricucendosi nuovamente
1986 Walter Gilbert introduce il termine
“mondo a RNA”
Brachet 1959; Woese 1967; Crick 1968;
Orgel 1968; White 1976; Pace and Marsh
1985; Sharp 1985; Alberts 1986; Gilbert
1986; Cech 1986; Lewin 1986; Weiner and
Maizels 1987; Benner et al. 1989; Gibson
and Lamond 1990; Joyce 1989, 1991;
Kenneth and Ellington 1995...
Leslie Orgel
Spiegelmann
Darwinismo molecolare
Isolamento della Qb replicasi, enzima in grado di duplicare
RNA a partire dalle basi trifosfate.
Incubando sequenzialmente l’RNA sintetizzato, a partire da
RNA complessi dopo qualche ciclo si otteneva solo un RNA
dalla lunghezza di 220 basi. Questo frammento, generato da
errori casuali, era in grado di duplicarsi più velocemente
degli altri.
X
X
Ripetendo l’esperimento ma diminuendo la quantità di
RNA stampo fino alla sola presenza dei soli monomeri,
si può generare RNA ex novo. La sequenza di 220 basi è
uno dei possibili risultati ma ne sono stati isolati altri
variando le condizioni sperimentali.
Quasispecie
Una quasispecie si ottiene quando il processo di
replicazione non è perfetto, ma gli errori non sono
sufficienti a far estinguere la specie.
I virus possono essere un esempio di quasispecie
Manfred Eigen
GLI IPERCICLI
Ipercicli ed
evoluzione
Manfred Eigen
Autoreplicazione
sequenze semplici
di RNA
Costituzione
ipercicli
catalitici
Sviluppo
compartimentazion
e (membrane)
Manfred Eigen
Il mondo a lipidi
Interazioni non covalenti
Self assembly di molecole anfipatiche, che
sono sempre presenti nel brodo primordiale
http://ool.weizmann.ac.il/
Doron Lancet
RNA e lipidi
Selezione di opportune membrane lipidiche atte alla
permeazione di ioni Mg2+, catalizzatore della
duplicazione di RNA
La montmorillonite catalizza la formazione di
vescicole da micelle e tende a sequestrare RNA
Selezione artificiale di RNA catalitici
http://genetics.mgh.harvard.edu/szostakweb/
Jack W.
Il mondo a RNA? Una reinterpretazione
Informazione
Catalisi
Limitata
concentrazione
di
basi
azotate
nel
brodo
primordiale,
presenza di analoghi di basi azotate
Il problema del ribosio
Il problema del fosforo
…
Sostituti del ribosio
TNA
Sono capaci di accoppiare DNA e RNA
Eschenmoser
Piranosil-RNA o pRNA
Eschenmoser
Altri XNA
Anche legami peptidici possono rimpiazzare il ribosio
(PNA achirali) e accoppiare DNA e RNA (Nielsen)
HO
NH 2
O
T
A
O
-
O P O
HO O
O
N
OH
G
O
C
NH
O
O
O
N
O
C
G
NH
O
O
O P O
HO O
O
N
O
T
NH
N
PNA
-
O P O
HO O
A
O
OH
O
CONH2
RNA
Critiche e riflessioni
Il mondo a RNA dovrebbe aver interagito molto
presto con aminoacidi e proteine, e forse, come
PURO mondo a RNA, non è mai esistito.
Se il mondo a RNA si fosse autosostenuto, sarebbe
difficile spiegare perché l’evoluzione abbia
introdotto solo dopo le proteine
Prima il metabolismo e poi l’informazione?
(coenzimi, mondo a solfuri [de Duve])
Modelli matematici
Reti booleane stocastiche
ANTICAOS
Reti NK
K = 2
Attrattori caotici
Cellule e attrattori
Stuart Kauffman
2 C4H10 + 13 O2
8 CO2 + 10 H2O
Approccio deterministico alle reazioni
chimiche
Reti caotiche di reazioni
chimiche generano attrattori
strani?
Reti Chimiche
N specie
M reazioni chimiche
Diminuendo il numero di reazioni M su quello delle specie
coinvolte N, si passa da reti di reazione insensibili alle
concentrazioni iniziali (si formano i prodotti più stabili) a
situazioni in cui sono presenti solo alcune miscele, fino ad
arrivare ovviamente al caso in cui sono presenti
essenzialmente i reagenti.
Sintesi di
elementi
pesanti
Reazioni
termiche e
fotochimiche
(pianeti)
Formazione di
molecole semplici
Reazioni
fotochimiche
(alte energie, alta T)
(spazio, bassa T)
Nascita e
sviluppo
metabolismo/
autoriproduzione
Differenziamento
cellulare
(morfogenesi)
Per concludere…
•La generazione in vitro di sistemi
autoreplicanti e metabolismi artificiali non
è condizione sufficiente per spiegare la
comparsa della vita sulla terra
•La maggior parte degli effetti è non
lineare, quindi è difficile fare previsioni…
