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Daniele Dondi
Il mondo a RNA
Università degli Studi di Pavia
Proteine
É nato prima l’uovo o la gallina?
DNA RNA
?
Informazione Catalisi
?
Miglior candidato, sia come catalizzatore che come magazzino di informazione (uovo E gallina)
Ribozimi
Thomas Cech
Sidney Altman
Alcuni tipi di RNA possono fungere da enzimi verso se stessi, tagliandosi in due e ricucendosi nuovamente
1986 Walter Gilbert introduce il termine “mondo a RNA”
Brachet 1959; Woese 1967; Crick 1968; Orgel 1968; White 1976; Pace and Marsh 1985; Sharp 1985; Alberts 1986; Gilbert 1986; Cech 1986; Lewin 1986; Weiner and Maizels 1987; Benner et al. 1989; Gibson and Lamond 1990; Joyce 1989, 1991; Kenneth and Ellington 1995...
Leslie Orgel
Darwinismo molecolareSpiegelmann
Isolamento della Q replicasi, enzima in grado di duplicare RNA a partire dalle basi trifosfate.
Incubando sequenzialmente l’RNA sintetizzato, a partire da RNA complessi dopo qualche ciclo si otteneva solo un RNA dalla lunghezza di 220 basi. Questo frammento, generato da errori casuali, era in grado di duplicarsi più velocemente degli altri.
X X
Manfred Eigen
Una quasispecie si ottiene quando il processo di replicazione non è perfetto, ma gli errori non sono sufficienti a far estinguere la specie.
I virus possono essere un esempio di quasispecie
Ripetendo l’esperimento ma diminuendo la quantità di RNA stampo fino alla sola presenza dei soli monomeri, si può generare RNA ex novo. La sequenza di 220 basi è uno dei possibili risultati ma ne sono stati isolati altri variando le condizioni sperimentali.
Quasispecie
Manfred Eigen
GLI IPERCICLI
Ipercicli ed evoluzione
Manfred Eigen
Autoreplicazione sequenze semplici
di RNA
Costituzione ipercicli catalitici
Sviluppo compartimentazion
e (membrane)
http://ool.weizmann.ac.il/ Doron Lancet
Il mondo a lipidi
Interazioni non covalenti
Self assembly di molecole anfipatiche, che sono sempre presenti nel brodo primordiale
Jack W. Szostak http://genetics.mgh.harvard.edu/szostakweb/
RNA e lipidi
Selezione di opportune membrane lipidiche atte alla permeazione di ioni Mg2+, catalizzatore della duplicazione di RNA
Selezione artificiale di RNA catalitici
La montmorillonite catalizza la formazione di vescicole da micelle e tende a sequestrare RNA
Il mondo a RNA? Una reinterpretazione
Informazione
Catalisi
Limitata concentrazione di basi azotate nel brodo primordiale, presenza di analoghi di basi azotateIl problema del ribosio
Il problema del fosforo…
Sostituti del ribosio
TNA
Sono capaci di accoppiare DNA e RNA
Eschenmoser
Piranosil-RNA o pRNA
Eschenmoser
Altri XNA
Anche legami peptidici possono rimpiazzare il ribosio (PNA achirali) e accoppiare DNA e RNA (Nielsen)
PNA
G
T
A
N
NH
NH2
N
O
O
N
NH
NH
N
O
O
CONH2
O
O
OC
RNA
C
A
OH
O
OOPO
O
O
O
OH
PO
O O-
O
OPO
O O-
O-
HO
HO
HO
HO
T
G
Il mondo a RNA dovrebbe aver interagito molto presto con aminoacidi e proteine, e forse, come PURO mondo a RNA, non è mai esistito.
Prima il metabolismo e poi l’informazione?
Se il mondo a RNA si fosse autosostenuto, sarebbe difficile spiegare perché l’evoluzione abbia introdotto solo dopo le proteine
Critiche e riflessioni
(coenzimi, mondo a solfuri [de Duve])
Reti booleane stocastiche
Stuart Kauffman
ANTICAOS
Attrattori caotici
Reti NKK = 2
Modelli matematici
Cellule e attrattori
2 C4H10 + 13 O2 8 CO2 + 10 H2O
Reti caotiche di reazioni chimiche generano attrattori strani?
Approccio deterministico alle reazioni chimiche
Reti Chimiche
Diminuendo il numero di reazioni M su quello delle specie coinvolte N, si passa da reti di reazione insensibili alle concentrazioni iniziali (si formano i prodotti più stabili) a situazioni in cui sono presenti solo alcune miscele, fino ad arrivare ovviamente al caso in cui sono presenti essenzialmente i reagenti.
N specie
M reazioni chimiche
Sintesi di elementi pesanti
Formazione di molecole semplici
(alte energie, alta T)
Reazioni fotochimiche
(spazio, bassa T)
Reazioni termiche e fotochimiche
(pianeti)
Nascita e sviluppo metabolismo/
autoriproduzione
Differenziamento cellulare (morfogenesi)
•La maggior parte degli effetti è non lineare, quindi è difficile fare previsioni…
Per concludere…
•La generazione in vitro di sistemi autoreplicanti e metabolismi artificiali non è condizione sufficiente per spiegare la comparsa della vita sulla terra