Computational modeling of an RNA-peptide world

La storia di come sia nata la vita è uno dei misteri più duraturi della scienza, incentrato su un enigma fondamentale: cosa è venuto prima, le istruzioni per costruire la vita o il macchinario che la costruisce? Per decenni, molti scienziati hanno favorito l'ipotesi del "mondo a RNA". Questa idea suggerisce che prima dell'esistenza delle cellule come le conosciamo, prevalesse un'era più semplice in cui un unico tipo di molecola, l'RNA, svolgeva tutti i compiti necessari. L'RNA è unico perché può sia conservare l'informazione genetica, come un progetto, sia agire come catalizzatore, accelerando le reazioni chimiche come uno strumento. Le prove di questa antica era si trovano nelle cellule moderne, dove la parte più critica della fabbrica di produzione delle proteine è ancora composta da RNA. Tuttavia, rimane un problema maggiore. Sebbene l'RNA possa fare molte cose, è spesso goffo e lento rispetto ai moderni enzimi proteici. Fatica a costruire i medesimi mattoni fondamentali di cui ha bisogno per sopravvivere, e il salto da un mondo di solo RNA ai sistemi complessi ed efficienti che vediamo oggi sembra incredibilmente difficile da colmare.

Per esplorare come la vita possa aver attraversato questo divario, un team di ricercatori presso i National Institutes of Health si è rivolto alle simulazioni al computer. Hanno costruito un laboratorio digitale chiamato AMES, un Atomistic Molecular Evolution Simulator, progettato per osservare come le molecole cambiano nel tempo. Invece di aspettare che l'evoluzione accadesse in una provetta, il che richiederebbe milioni di anni, hanno creato un ambiente virtuale in cui brevi filamenti casuali di RNA potevano mutare e competere per la sopravvivenza. In questo mondo digitale, i ricercatori hanno introdotto una nuova variabile: brevi catene casuali di amminoacidi, note come peptidi. Nel mondo reale, questi minuscoli peptidi possono formarsi naturalmente senza alcuna istruzione. Il team voleva vedere cosa sarebbe successo se questi peptidi casuali fossero stati presenti fin dall'inizio, interagendo con l'RNA in evoluzione. Si sono posti una domanda semplice: questi peptidi casuali e disorganizzati potrebbero aiutare le molecole di RNA a diventare più stabili ed evolversi più velocemente, ponendo potenzialmente le basi per il complesso macchinario della vita?

I risultati di queste simulazioni sono stati sorprendenti. Quando le molecole di RNA venivano lasciate evolvere da sole, si sviluppavano in forme semplici e prevedibili, principalmente simili a forcine (hairpins). Ci voleva molto tempo affinché trovassero una forma stabile, richiedendo centinaia di generazioni e molte mutazioni per raggiungere un punto di stabilità. Tuttavia, quando i peptidi casuali venivano introdotti nella miscela, il ritmo dell'evoluzione cambiava drasticamente. Le molecole di RNA raggiungevano una forma stabile e funzionale in circa la metà del tempo rispetto a quando erano sole. La presenza di questi peptidi agiva come un catalizzatore per l'evoluzione stessa, permettendo all'RNA di trovare il proprio equilibrio molto più rapidamente. I ricercatori hanno osservato che i peptidi non si limitavano a stare lì; essi si legavano all'RNA, stabilizzando strutture che sarebbero state altrimenti troppo instabili per sopravvivere. Questa interazione permetteva all'RNA di esplorare una varietà più ampia di forme, andando oltre le semplici forcine verso forme più complesse e diverse.

Fondamentalmente, lo studio ha dimostrato che questa partnership non era una strada a senso unico. Le molecole di RNA che si sono evolute in presenza di peptidi hanno sviluppato una naturale tendenza a legarsi con i peptidi, anche quando questi ultimi erano completamente nuovi e casuali. Infatti, l'RNA evoluto con i peptidi era molto più propenso a formare un complesso stabile con un peptide casuale rispetto all'RNA che si era evoluto in isolamento. Ciò suggerisce che le prime molecole di RNA non erano solo portatori passivi di informazione, ma si stavano attivamente plasmando per interagire con il proprio ambiente chimico. Le simulazioni hanno rivelato che queste interazioni permettevano all'RNA di stabilizzarsi in configurazioni che sarebbero energeticamente sfavorevoli da sole. Senza i peptidi, queste strutture di RNA si sarebbero decomposte, ma con essi, rimanevano salde. Questa scoperta sostiene l'idea che le prime fasi della vita potrebbero non essere state un puro "mondo a RNA", ma piuttosto un "mondo RNA-peptide", in cui questi due tipi di molecole lavoravano insieme fin dall'inizio.

I ricercatori hanno anche scoperto che questa partnership guidava la diversità. Nelle simulazioni senza peptidi, le molecole di RNA tendevano a convergere su un'unica, semplice soluzione. Ma con la presenza di peptidi, l'RNA si diramava in molte diverse forme strutturali. I peptidi sembravano rilassare le regole rigide che solitamente costringono l'RNA in una singola forma stretta, permettendo l'emergere di strutture più sperimentali e variegate. Questa diversificazione è significativa perché fornisce un campo di gioco più ampio su cui l'evoluzione può lavorare. Se la vita fosse iniziata con un mix di RNA e peptidi casuali, i peptidi avrebbero potuto aiutare le molecole di RNA a sopravvivere abbastanza a lungo da sviluppare funzioni più complesse, come la capacità di legare gli amminoacidi per creare proteine. Questo processo avrebbe potuto portare, alla fine, allo sviluppo del sistema di traduzione, il complesso macchinario che le cellule usano oggi per costruire proteine basandosi sulle istruzioni dell'RNA.

Sebbene queste scoperte derivino da una simulazione al computer e non da un'osservazione diretta della vita antica, esse offrono una nuova e convincente prospettiva su un problema di lunga data. Lo studio suggerisce che la transizione da un semplice brodo chimico a un sistema vivente non ha richiesto l'apparizione dal nulla di una molecola di RNA perfetta e capace di auto-replicazione. Al contrario, potrebbe essere stato un processo graduale in cui peptidi casuali, formatisi per caso, hanno aiutato a stabilizzare e accelerare l'evoluzione dell'RNA. Questa partnership avrebbe permesso all'RNA di esplorare una gamma più ampia di attività e strutture, portando infine ai sistemi sofisticati che definiscono la vita odierna. Il lavoro non prova esattamente come sia iniziata la vita, ma fornisce un meccanismo plausibile su come i primi passi siano potuti essere compiuti, trasformando un puzzle difficile in una storia più comprensibile di cooperazione tra molecole.