Team 4

Team 4

Giovanna Costanzo, Ricercatrice

giovannamaria.costanzo@cnr.it

Istituto di Biologia e Patologia Molecolari, CNR, Roma


Prof. Pietro Benedetti

Professore ordinario di Biologia Molecolare, Dipartimento di Biologia, Università di Padova

Distaccato presso il Centro Linceo “B. Segre”. Academia Nazionale dei Lincei

Dott.ssa Angela Cirigliano

Assegnista contratto di ricerca

Professionalizante, IBPM CNR, Roma


Prof. Rodolfo Negri

Professore ordinario di Biologia Molecolare all'Università di Roma, La Sapienza. Dipartimento di Biologie e Biotecnologie "C. Darwin"

Una delle domande fondamentali della ricerca sull'origine della vita riguarda la formazione delle macromolecole biologiche, come l'RNA e le proteine. Negli anni '70, è stato proposto che i nucleotidi ciclici possano, plausibilmente, funzionare da precursori per la formazione di ribo-oligomeri, data l'energia che si libera dalla rottura del legame fosfodiesterico interno. Quasi 40 anni dopo, il nostro gruppo di ricerca, dopo aver dimostrato la formazione delle basi azotate, dei ribonucleosidi e dei ribonucleotidi a partire dalla semplice molecola ad un solo atomo di carbonio formammide, ha potuto verificare sperimentalmente la produzione di molecole di RNA (lunghe fino a 25 nucleotidi) a partire da 3',5' GMP ciclico. La forma acida libera del 3',5' cGMP può avere un immenso potenziale prebiotico dato che polimerizza già a 30°C, sia in soluzione che, più efficientemente, in condizioni liofilizzate.


Modello dell'aggregazione e della sintesi prebiotica dell'RNA






Il progetto OPPS ci ha permesso di approfondire lo studio della reazione su scale temporali lunghe e in condizioni di alternanza "liofilizzazione-soluzione". La sorpresa maggiore è stata l'osservazione di un comportamento oscillatorio, con cicli di polimerizzazione e degradazione alternati fino ad un equilibrio raggiunto dopo circa 600 ore. Nella scienza dei polimeri, l'andamento oscillante delle reazioni di polimerizzazione è un fenomeno conosciuto, ma la nostra è la prima osservazione di questo tipo applicata ad una importante reazione prebiotica. Questo significa che la vita sul nostro pianeta è potuta emergere in condizioni lontane dall'equilibrio, nelle quali l'aggregazione spontanea o il trasporto di materiale per diffusione può aver giocato un ruolo fondamentale.

Inoltre, poiché all’atto pratico la Vita consiste nella interazione di un genotipo con un fenotipo, la nostra ricerca non è soltanto indirizzata alle reazioni di auto-generazione del materiale pre-genetico (in grado cioè di evolvere verso il materiale genetico vero e proprio che conosciamo) ma anche allo studio delle condizioni che abbiano permesso l’organizzazione di cicli proto-metabolici e alla formazione dei peptidi.

Esperimenti recenti, hanno dimostrato che vari composti come gli amino- alcoli, le poli-amine, alcuni peptidi e minerali sono in grado di "stabilizzare" gli oligonucleotidi. Il progetto OPPS ci ha già permesso di avere dati interessanti sulla polimerizzazione del 3',5' GMP ciclico su minerali e sulla stabilizzazione dei ribo-oligonucleotidi ad opera di alcuni amminoacidi, permettendo di stabilire un legame diretto tra "mondo primordiale a RNA" e "mondo proteico".

Partendo dall’assunto che la chimica degli elementi biogenici basilari sia la stessa ovunque nell’Universo (assunto di difficile contestazione), i risultati ottenuti sono valutabili anche in termini di ambienti extraterrestri. I nostri studi sono perciò rivolti anche a mettere a punto le condizioni chimico fisiche ed ambientali che potrebbero essere coinvolte nell'origine delle macromolecole biologiche su altri pianeti.

Progetto sviluppato in parallelo ad un approccio out-out, consistente nel valutare la possibilità di individuare al di fuori del nostro Pianeta le condizioni di esistenza, o la esistenza vera e propria, di strutture, sistemi e processi che possano rientrare nella definizione di Vita data. Poiché all’atto pratico la Vita consiste nella interazione di un genotipo con un fenotipo, la ricerca è indirizzata da un lato alla definizione delle condizioni di autogenerazione di materiale pre-genetico (in grado cioè di evolvere verso il materiale genetico vero e proprio che conosciamo); dall’altro alle definizione delle condizioni per la messa in campo dei composti atti a sviluppare l’organizzazione di cicli proto-metabolici (in grado cioè di raccogliere e trasformare energia per renderla disponibile ai sistemi pre-genetici sviluppati in parallelo). Lo scopo ultimo di questo approccio sperimentale è quello di identificare le condizioni nelle quali i due sistemi coevolvano. Il trait d’union di genotipo e metabolismo è il mondo proteico. Intorno a questi tre capisaldi proponiamo lo sviluppo di una serie di studi analitici e sintetici volti a ricostruire uno scenario pre-biotico plausibile nel quali sia possibile rintracciare gli eventi che hanno portato alla evoluzione della Vita sul nostro Pianeta. Partendo dall’assunto che la chimica degli elementi biogenici basilari sia la stessa ovunque nell’Universo (assunto di difficile contestazione), i risultati ottenuti sono valutabili in termini di ambienti extraterrestri, in funzione delle condizioni (chimico fisiche ed ambientali in senso lato) che saranno state definite.



Modello schematico della polimerizzazione abiotica di monomeri di ribonucleotidi ciclici (in questo caso cGMP). Il cGMP si autoaggrega in modo ordinato e l'apertura dell'anello fornisce l'energia per la formazione, in completa assenza di enzimi, di molecole di RNA (lunghe fino a 25 nucleotidi). La privazione di acqua e un moderato calore favoriscono il processo. Con il passare del tempo, la reazione di polimerizzazione esibisce un andamento altalenante di creazione e degradazione (dovuta alla diffusione delle molecole di acqua rimaste intrappolate in molecole disordinate) fino a raggiungere un equilibrio dopo circa 600 ore.









Nanospettroscopia ad infrarosso (AFM-IR) di campioni del ribonucleoside ciclico 3’,5’ cGMP non trattati e trattati con il calore, in confronto con un ribonucleotide di controllo (RNA G9) (ibidem)