Computational modeling of an RNA-peptide world
Utilizzando il simulatore computazionale AMES, questo studio dimostra che brevi peptidi casuali accelerano l'evoluzione dell'RNA e stabilizzano strutture diverse, supportando l'ipotesi che la vita sia originata in un "mondo RNA-peptide" in cui peptidi non templati interagivano con l'RNA fin dalle fasi primordiali.
Articolo originale dedicato al pubblico dominio sotto CC0 1.0 (https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
La storia di come sia nata la vita è uno dei misteri più profondi della scienza, un enigma che chiede come le prime forme di vita siano emerse da sostanze chimiche non viventi. Per decenni, l'idea prevalente è stata quella del "mondo a RNA". Questa ipotesi suggerisce che prima che le cellule avessero il DNA o le proteine, una molecola più semplice chiamata RNA facesse tutto il lavoro pesante. L'RNA è una molecola versatile che può conservare informazioni come un progetto e anche agire come uno strumento per accelerare le reazioni chimiche, proprio come una macchina. Se la vita fosse iniziata con l'RNA, sarebbe stato un mondo in cui queste molecole si copiavano da sole e costruivano strutture complesse senza alcun aiuto dalle proteine. Tuttavia, questa idea si scontra con un ostacolo. Sebbene gli scienziati abbiano scoperto molecole di RNA capaci di svolgere alcune funzioni, esse sono spesso lente e goffe rispetto agli enzimi proteici che gestiscono le cellule moderne. Inoltre, esiste un nodo logico: il sistema complesso che trasforma le istruzioni dell'RNA in proteine sembra troppo intricato per essersi evoluto tutto in una volta, eppure le proteine sono necessarie per far funzionare il macchinario dell'RNA.
Per sciogliere questo nodo, un team di ricercatori dei National Institutes of Health si è rivolto a una possibilità diversa. Si sono chiesti se le prime fasi della vita non fossero solo un mondo a RNA, ma un "mondo RNA-peptide". I peptidi sono brevi catene di amminoacidi, i mattoni delle proteine. Queste catene possono formarsi spontaneamente in condizioni che imitano la Terra primordiale, molto prima che esistesse la vita. I ricercatori si sono posti una domanda semplice: e se questi piccoli, casuali peptidi avessero interagito con le molecole di RNA in evoluzione fin dai primissimi stadi? Invece di aspettare che si evolvesse una macchina perfetta per la produzione di proteine, forse questi minuscoli peptidi hanno agito come aiutanti, stabilizzando le strutture dell'RNA e aiutandole a evolversi più velocemente. Per testare ciò, gli scienziati hanno costruito una simulazione al computer, un laboratorio digitale dove potevano osservare l'evoluzione avvenire in accelerato, osservando come le molecole di RNA cambiassero nel tempo quando erano sole rispetto a quando erano circondate da una zuppa di peptidi casuali.
I ricercatori hanno utilizzato uno strumento potente chiamato AMES, un Atomistic Molecular Evolution Simulator. Questo programma non si limita a ipotizzare le forme delle molecole; le costruisce atomo per atomo, utilizzando l'intelligenza artificiale avanzata per prevedere come si ripiegano e interagiscono. Nella simulazione, hanno iniziato con una popolazione di cento filamenti di RNA casuali, lunghi circa diciotto unità. Hanno lasciato che questi filamenti mutassero ed evolvessero per mille generazioni, selezionando quelli che formavano le strutture più stabili. Hanno eseguito due tipi di esperimenti. Nel primo, le molecole di RNA si sono evolute in isolamento, competendo solo tra di loro. Nel secondo, le molecole di RNA si sono evolute in presenza di un pool in continuo mutamento di brevi peptidi, lunghi da tre a cinque amminoacidi. Fondamentalmente, i peptidi non avevano una sequenza fissa; erano randomizzati a ogni passaggio, imitando un ambiente primordiale caotico in cui non veniva ancora prodotto alcun tipo specifico di proteina.
I risultati sono stati sorprendenti. Quando le molecol di RNA si sono evolute da sole, hanno impiegato molto tempo per trovare una forma stabile. Ci sono volute in media 438 generazioni perché si assestassero in una struttura affidabile e, anche allora, formavano principalmente forme semplici e prevedibili come gli hairpin (forcine). Questi hairpin sono loop di base in cui il filamento di RNA si ripiega su se stesso, ma non sono molto complessi. Tuttavia, quando sono stati introdotti i peptidi casuali, il ritmo dell'evoluzione è cambiato drasticamente. Le molecole di RNA hanno raggiunto uno stato stabile in sole 215 generazioni in media, meno della metà del tempo necessario quando erano sole. La presenza dei peptidi ha agito come un catalizzatore per l'evoluzione, permettendo all'RNA di trovare forme stabili molto più rapidamente.
Ma non si trattava solo di velocità; i peptidi hanno anche cambiato la qualità delle strutture. Le molecole di RNA che si sono evolute con l'aiuto dei peptidi non hanno formato solo semplici hairpin. Hanno sviluppato forme più diverse e complesse, presentando spesso protuberanze e loop irregolari che sarebbero stati instabili da soli. I peptidi agivano come impalcature, mantenendo in posizione queste forme goffe ed energetiche. Infatti, i ricercatori hanno scoperto che le molecole di RNA evolutesi in presenza di peptidi erano in realtà meno stabili se i peptidi venivano rimossi. Erano diventate dipendenti dai peptidi per la loro struttura. Ciò suggerisce che i peptidi non fossero solo spettatori passivi, ma partecipanti attivi che permettevano all'RNA di esplorare una gamma molto più ampia di forme rispetto a quanto avrebbe potuto fare da solo.
La simulazione ha anche rivelato che queste molecole di RNA in evoluzione hanno sviluppato una capacità speciale. Sono diventate più brave ad agganciare i peptidi casuali. Quando i ricercatori hanno testato i filamenti finali di RNA contro un nuovo set di peptidi casuali, quelli che si erano evoluti con i peptidi mostravano una tendenza molto più forte a legarsi ad essi. Questo legame non era specifico per una particolare sequenza di peptidi; piuttosto, l'RNA aveva sviluppato una capacità generale di trattenere i peptidi. Questo è un passo cruciale verso l'origine della vita. Se l'RNA può naturalmente attrarre e trattenere i peptidi, ciò potrebbe aver portato eventualmente all'evoluzione del ribosoma, la complessa macchina nelle nostre cellule che costruisce le proteine. Il nucleo del ribosoma è fatto di RNA, ed è il luogo in cui vengono assemblate le proteine. La simulazione suggerisce che il primissimo passo verso questa macchina potrebbe essere stato il modo in cui le semplici molecole di RNA hanno imparato a lavorare con brevi e casuali peptidi.
I ricercatori sottolineano con cautela che questa è una simulazione al computer, non un'osservazione diretta della storia antica. Non hanno dimostrato che questo sia esattamente il modo in cui la vita è iniziata, ma hanno mostrato che è uno scenario plausibile e potente. La simulazione dimostra che l'interazione tra RNA e peptidi potrebbe aver risolto un problema fondamentale nell'origine della vita: come far evolvere molecole complesse e funzionali abbastanza velocemente da dare il via alla biologia. Stabilizzando l'RNA in forme diverse e accelerandone l'evoluzione, questi brevi peptidi potrebbero aver fornito l'anello mancante tra un mondo di semplice RNA e la complessa vita basata sulle proteine che vediamo oggi. Lo studio suggerisce che le prime fasi della vita furono probabilmente una partnership, un mondo dinamico in cui RNA e peptidi lavorarono insieme per costruire le fondamenta di tutto ciò che è seguito.
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