Gocce di RNA potrebbero aver contribuito a far partire la vita sulla Terra

È uno dei problemi fondamentali dell’origine della vita: come ha potuto l’RNA contribuire a dare origine alle prime cellule prima che esistessero cellule a contenerlo?

È uno dei problemi fondamentali dell’origine della vita: come ha potuto l’RNA contribuire a dare origine alle prime cellule prima che esistessero cellule a contenerlo?

La risposta potrebbe risiedere nella capacità dell’RNA di assemblarsi in gocce liquide, o condensati.

Questi compartimenti senza membrana potrebbero contenere molecole di RNA concentrate, aumentando le opportunità di interagire e potenzialmente proteggendole da un ambiente caldo e acido.

Ora, un nuovo studio guidato dall’Università di Buffalo sta facendo luce su cosa rende l’RNA particolarmente abile nella formazione di queste gocce.

Pubblicato il 31 luglio su Nature Communications secondo le linee guida di accesso anticipato della rivista, lo studio ha rilevato che una minima differenza chimica tra RNA e DNA aiuta a spiegare perché l’RNA si organizza più facilmente in goccioline quando le temperature aumentano — e perché queste gocce siano più soggette a diventare strutture rigide, simili a gel, in rete.

“Questi risultati rivelano, per la prima volta, come cambiamenti straordinariamente piccoli nella chimica molecolare possano controllare l’emergere di strutture biomolecolari molto più grandi e auto-organizzate come i condensati di RNA”, afferma Priya R. Banerjee, Dottor al Twentieth Century Club Professor presso il Dipartimento di Fisica dell’UB.

“Potrebbero permetterci di affrontare domande ancora più profonde, come se questi condensati abbiano contribuito a colmare il divario tra molecole semplici e le forme di vita più antiche.”

L’opera fa parte della ricerca di Banerjee relativa alla teoria del mondo dell’RNA, che suggerisce che l’RNA abbia avuto un ruolo centrale nell’origine della vita sulla Terra.

Le molecole di RNA possono sia trasportare informazioni genetiche sia catalizzare reazioni chimiche, che avrebbero potuto permettere loro di eseguire la chimica che alla fine ha dato origine al DNA, alle proteine e alle prime cellule.

Ma la teoria del mondo dell’RNA affronta domande fondamentali, tra cui come l’RNA instabile possa aver potuto persistere in condizioni prebiotiche difficili e come abbastanza molecole di RNA possano essere concentrate in un unico punto da interagire prima dell’esistenza delle cellule.

Le gocce di RNA potrebbero fornire una risposta. Uno studio del 2023 guidato da Banerjee ha rilevato che l’RNA tende a organizzarsi in gocce liquide a temperature elevate.

Sulla base di quel lavoro, lo studio attuale ha confrontato le capacità di formazione di gocce dell’RNA con DNA monofilamento contenente sostanzialmente le stesse sequenze.

Nei loro esperimenti, il gruppo di Banerjee mostrò che l’RNA iniziava a formare goccioline a temperature circa 10 gradi Celsius inferiori rispetto al DNA corrispondente, mostrando che l’RNA aveva una tendenza più forte a condensarsi.

Hanno inoltre scoperto che le molecole di RNA formavano più facilmente reti interconnesse all’interno delle gocce, trasformando il materiale da fluido a simile a un gel, il che poteva proteggere meglio l’RNA in condizioni ambientali difficili.

Una ragione chiave sembra risiedere nel fatto che RNA e DNA differiscono chimicamente di un solo atomo di ossigeno per unità di zucchero. Ogni unità zuccheriera nell’RNA contiene un gruppo chimico chiamato 2′-idrossile (2′-OH) che è assente nel DNA.

Utilizzando microscopia a temperatura controllata, scattering a raggi X a piccoli angoli e simulazioni di dinamica molecolare condotte dal gruppo Joseph, il team ha scoperto che il 2′-OH sembra aiutare l’RNA a interagire più fortemente con gli ioni magnesio e a trattenere meno molecole d’acqua intorno alla sua spina dorsale rispetto al DNA.

Queste differenze aiutano le molecole di RNA a unirsi più facilmente con l’aumento delle temperature, hanno scoperto i ricercatori.

I ricercatori hanno ulteriormente testato il ruolo del 2′-OH modificandolo chimicamente in 2′-Ome, simile a quanto si trova in molti RNA naturali.

Facendo ciò, la tendenza dell’RNA a condensarsi si indebolì e alterò se i condensati risultanti rimanevano fluidi o diventavano simili a gel.

“Questo singolo gruppo contenente ossigeno sullo zucchero dell’RNA ha un effetto sorprendentemente potente sul fatto che queste molecole si uniscano, rimangano dinamiche o vengano bloccate in un materiale simile a un gel”, afferma il primo autore Gable Wadsworth, postdoc nel laboratorio di Banerjee che entrerà a far parte dell’Università del Texas a El Paso come professore assistente questo autunno.

Il laboratorio di Banerjee sta ora compiendo il passo successivo: ingegnerizzare gocce di RNA per svolgere alcune funzioni cellulari di base, come le reazioni biochimiche.

I ricercatori stanno cercando di programmare le gocce affinché funzionino come compartimenti attivi, dinamici e delle dimensioni cellulari, fornendo una potenziale base per progettare cellule sintetiche composte solo da RNA.

“Questi tipi di compartimenti auto-organizzanti dell’RNA sono stati forse un passo verso l’arrivo agli organismi unicellulari”, afferma Banerjee.