Daniele Dondi

Daniele Dondi

Il mondo a RNA

Università degli Studi di Pavia

Proteine

É nato prima l’uovo o la gallina?

DNA RNA

?

Informazione Catalisi

?

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

Darwinismo molecolareSpiegelmann

Isolamento della Q 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

Manfred Eigen

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

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

Manfred Eigen

GLI IPERCICLI

Ipercicli ed evoluzione

Manfred Eigen

Autoreplicazione sequenze semplici

di RNA

Costituzione ipercicli catalitici

Sviluppo compartimentazion

e (membrane)

http://ool.weizmann.ac.il/ Doron Lancet

Il mondo a lipidi

Interazioni non covalenti

Self assembly di molecole anfipatiche, che sono sempre presenti nel brodo primordiale

Jack W. Szostak http://genetics.mgh.harvard.edu/szostakweb/

RNA e lipidi

Selezione di opportune membrane lipidiche atte alla permeazione di ioni Mg2+, catalizzatore della duplicazione di RNA

Selezione artificiale di RNA catalitici

La montmorillonite catalizza la formazione di vescicole da micelle e tende a sequestrare RNA

Il mondo a RNA? Una reinterpretazione

Informazione

Catalisi

Limitata concentrazione di basi azotate nel brodo primordiale, presenza di analoghi di basi azotateIl 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)

PNA

G

T

A

N

NH

NH2

N

O

O

N

NH

NH

N

O

O

CONH2

O

O

OC

RNA

C

A

OH

O

OOPO

O

O

O

OH

PO

O O-

O

OPO

O O-

O-

HO

HO

HO

HO

T

G

Il mondo a RNA dovrebbe aver interagito molto presto con aminoacidi e proteine, e forse, come PURO mondo a RNA, non è mai esistito.

Prima il metabolismo e poi l’informazione?

Se il mondo a RNA si fosse autosostenuto, sarebbe difficile spiegare perché l’evoluzione abbia introdotto solo dopo le proteine

Critiche e riflessioni

(coenzimi, mondo a solfuri [de Duve])

Reti booleane stocastiche

Stuart Kauffman

ANTICAOS

Attrattori caotici

Reti NKK = 2

Modelli matematici

Cellule e attrattori

2 C4H10 + 13 O2 8 CO2 + 10 H2O

Reti caotiche di reazioni chimiche generano attrattori strani?

Approccio deterministico alle reazioni chimiche

Reti 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.

N specie

M reazioni chimiche

Sintesi di elementi pesanti

Formazione di molecole semplici

(alte energie, alta T)

Reazioni fotochimiche

(spazio, bassa T)

Reazioni termiche e fotochimiche

(pianeti)

Nascita e sviluppo metabolismo/

autoriproduzione

Differenziamento cellulare (morfogenesi)

•La maggior parte degli effetti è non lineare, quindi è difficile fare previsioni…

Per concludere…

•La generazione in vitro di sistemi autoreplicanti e metabolismi artificiali non è condizione sufficiente per spiegare la comparsa della vita sulla terra