RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

La vita, per come la conosciamo, si basa sulla collaborazione tra due tipi di molecole molto diversi tra loro. Un tipo, gli acidi nucleici, funge da biblioteca della vita, conservando le istruzioni per costruire tutto il resto. L'altro tipo, le proteine, funge da forza lavoro, svolgendo i compiti chimici che mantengono una cellula viva e in crescita. Per decenni, gli scienziati si sono interrogati su come sia iniziata questa collaborazione. L'idea prevalente, nota come ipotesi del mondo a RNA, suggerisce che la vita sia iniziata con un solo di questi protagonisti: l'RNA, che poteva sia conservare informazioni sia svolgere parte del lavoro chimico. Tuttavia, questa visione fatica a spiegare come una singola molecola potesse gestire entrambi i ruoli con la perfezione necessaria per avviare un lignaggio capace di sopravvivere ed evolversi. Un'altra possibilità è che le proteine siano venute per prime, ma esse mancano della capacità di autocopiarsi in modo affidabile. La domanda centrale rimane: come hanno fatto questi due sistemi distinti a unir forze per creare le prime cellule viventi?

Due ricercatori della Stony Brook University, Mohamed Swailem e Ken A. Dill, hanno proposto un nuovo modo di intendere questa storia delle origini. Invevero di chiedere quale molecola sia venuta per prima, chiedono come le due possano essersi aiutate a sopravvivere fin dall'inizio. Il loro lavoro suggerisce che la chiave non sia stata la perfezione in nessuna delle due molecole, ma una divisione del lavoro che ha permesso loro di dare il via l'una all'altra attraverso un processo di auto-avvio (bootstrap). Combinando i punti di forza di entrambe, sostengono, la vita avrebbe potuto emergere anche se le singole parti erano tutt'altro che perfette.

Per comprendere il loro ragionamento, è utile osservare come funziona l'evoluzione come processo di tentativi ed errori. Immaginate una popolazione di semplici molecole autocopiatrici. Occasionalmente accade un errore durante la copia, creando una nuova versione. Se questa nuova versione è migliore nel sopravvivere o nel produrre copie, diventerà più comune, mentre le versioni più deboli scompariranno. Questo è il motore della selezione naturale. Ma affinché questo motore funzioni, devono accadere due cose distinte: un modo per generare cambiamenti casuali (la prova) e un modo per testare quali cambiamenti siano migliori (l'errore). I ricercatori sostengono che i due tipi di molecole nelle nostre cellule siano perfettamente adatti a questi compiti separati.

Gli acidi nucleici, come il DNA e l'RNA, sono rigidi e stabili. La loro struttura permette loro di conservare informazioni senza essere facilmente influenzati dal loro ambiente. Sono eccellenti nel fungere da progetto, trasportando istruzioni senza modificarle. Tuttavia, non sono molto bravi nel compiere lavoro chimico. Le proteine, d'altra parte, sono flessibili e diverse. Si ripiegano in forme complesse che permettono loro di agire come strumenti, accelerando le reazioni e costruendo strutture. Ma le proteine sono scarse nel conservare informazioni; sono difficili da leggere e da copiare accuratamente. Nella visione dei ricercatori, l'evoluzione aveva bisogno di un sistema in cui il "progetto" potesse essere modificato casualmente senza pregiudizi, mentre gli "strumenti" potevano essere testati per la loro capacità di aiutare il sistema a crescere.

Gli autori hanno costruito un modello informatico per testare cosa accade quando queste due molecole interagiscono. Sono partiti da uno scenario in cui nessuna delle due molecole era molto brava nel proprio compito. Gli acidi nucleici non erano molto accurati nel copiarli se stessi, e le proteine non erano molto brave nell'aiutare tale copia. In un mondo in cui queste molecole agivano da sole, sarebbero semplicemente svanite. Il modello ha mostrato che, senza aiuto, la popolazione di queste molecole sarebbe diminuita fino a scomparire, incapace di superare il tasso di degradazione o di diluizione.

Tuttavia, quando i ricercatori hanno permesso alle due molecole di lavorare insieme, l'esito è cambiato drasticamente. Nel loro modello, le proteine aiutavano gli acidi nucleici a copiarli se stessi in modo più efficace, mentre gli acidi nucleici fornivano le istruzioni per fabbricare le proteine. Ciò ha creato un ciclo di feedback. Anche se la copia era imprecisa e le proteine erano solo moderatamente utili, la combinazione permetteva al sistema di crescere. I ricercatori hanno scoperto che le due molecole potevano salvarsi a vicenda. Un acido nucleico che non era molto bravo a copiare se stesso poteva sopravvivere se accoppiato con una proteina che era molto brava nell'aiutare. Viceversa, una proteina che non era molto efficiente poteva persistere se accoppiata con un acido nucleico che era molto accurato.

Questa relazione è ciò che i ricercatori chiamano "frontiera di Pareto", un concetto che descrive una situazione in cui è possibile scambiare un vantaggio con un altro. Nelle loro simulazioni, hanno trovato un confine netto tra un mondo in cui le molecole muoiono e un mondo in cui prosperano. Da un lato di questa linea, le molecole sono troppo deboli per sopravvivere. Dall'altro lato, esse formano un'unità cooperativa che cresce e persiste. La scoperta più sorprendente è che questa transizione non richiede che entrambe le molecole siano perfette. Richiede solo che siano abbastanza buone insieme. Il modello mostra che un sistema con acidi nucleici scarsi e proteine forti può sopravvivere altrettanto bene di un sistema con acidi nucleici forti e proteine scarse, purché siano collegati.

I ricercatori hanno anche esaminato quanto tempo potessero durare questi sistemi. Hanno scoperto che una singola molecola, agendo da sola, ha una vita molto breve. Si degrada rapidamente e, senza un modo per autocopiarsi accuratamente, il suo lignaggio termina quasi immediatamente. Ma quando le due molecole uniscono le forze, l'intero sistema acquisisce una vita molto più lunga. Il lignaggio di queste unità cooperative può persistere per molto tempo, molto più a lungo di quanto qualsiasi singola molecola potrebbe sopravvivere da sola. Questa persistenza è ciò che i ricercatori identificano come il vero inizio della vita: lo spostamento da reazioni chimiche a breve durata a lignaggi a lunga durata che possono evolversi.

Questo modello sfida l'idea che la vita debba essere iniziata con una singola molecola perfetta che potesse fare tutto. Suggerisce invece che la vita sia iniziata con una partnership. I ricercatori sostengono che la transizione dalla chimica alla biologia non sia stata un salto improvviso verso la perfezione, ma un processo graduale in cui due sistemi imperfetti hanno imparato a fare affidamento l'uno sull'altro. Le proteine fornivano la fitness funzionale, aiutando il sistema a crescere e adattarsi, mentre gli acidi nucleici fornivano l'ereditabilità, assicurando che le combinazioni di successo venissero trasmesse.

Gli autori sottolineano con cura che il loro lavoro è una simulazione, un'esplorazione matematica di come tali dinamiche potrebbero funzionare. Non pretendono di aver scoperto l'esatto evento storico che ha dato inizio alla vita, ma piuttosto di aver mostrato un meccanismo fisico plausibile che rende l'origine della vita più probabile. Il loro modello dimostra che il "paradosso di Eigen" — l'idea che servano buone proteine per fare buoni acidi nucleici e buoni acidi nucleici per fare buone proteine, creando un vicolo cieco — può essere risolto attraverso la cooperazione. Condividendo il carico, le due molecole possono superare le limitazioni che impedirebbero a ciascuna di avere successo da sola.

In definitiva, l'articolo offre un'intuizione silenziosa ma potente: l'origine della vita potrebbe non essere stata una ricerca di una singola, miracolosa molecola. Potrebbe essere stata la storia di due tipi diversi di molecole che hanno trovato un modo per stare insieme. Una forniva la memoria, l'altra il muscolo. Insieme, hanno creato un sistema che era superiore alla somma delle sue parti, permettendo ai primi lignaggi di persistere abbastanza a lungo da evolversi nella complessa vita che vediamo oggi. I ricercatori concludono che questa divisione del lavoro, dove una molecola conserva il piano e l'altra costruisce la macchina, non è solo una caratteristica della vita moderna, ma è la base stessa che ha reso possibile la vita.