Ipotesi sull’Origine della Vita sulla Terra
Enzo Gallori
Dipartimento di Fisica e Astronomia,
Università di Firenze
Erwin Schrödinger
“What is Life ?”, 1944
Il Principio Centrale della Biologia
Replicazione Trascrizion
e Traduzione
Genotipo Fenotipo
Definizione di Vita della NASA:
“Life is a system able to self-maintain + self-replicate, and capable of undergoing Darwinian evolution”
La presenza di un sistema genetico è
assolutamente essenziale.
A = T
G C
“significato biologico”
A
G
A T
G C
T
C
DNA
Gli Acidi Nucleici (DNA, RNA) come sedi
dell’informazione biologica
Il Paradosso dell’Uovo e della Gallina
F.Crick, L. Orgel, C. Woese (1968)
Ribozimi: Molecole di RNA con attività catalitica
T. Cech & R. Altman (’80)
RNA
ancestrale
W. Gilbert (1986): “RNA World”
Il ruolo dell’RNA
nei processi biologici
• Ribozimi naturali.
• Materiale ereditario di molti virus.
• Coinvolgimento nel funzionamento del
Ribosoma (sintesi proteica).
“ The Colossal Enzyme” The Colossal Enzyme
T.A. Steitz
Struttura del Ribosoma
Evoluzione della struttura del 23S rRNA
Bokov & Steinberg (2009), Nature, 457
La transizione
dall’ RNA World al DNA World
L’evoluzione molecolare
Formazione della terra
4.5
Chimica Prebiotica
4.0
Prime forme di vita (DNA / proteine)?
3.5
Diversificazione della vita
3.0
La comparsa di un polimero simile agli Acidi Nucleici capace di evolvere attraverso i processi della
Replicazione, Mutazione, e Selezione naturale segna lo
“spartiacque” fra la chimica prebiotica e “l’inizio della vita”.
Il problema
dell’Origine della Vita viene a coincidere con
l’origine di un sistema genetico,
capace di trasmettere l’informazione e di replicare un programma in continua
evoluzione
“Building code”
• Sintesi ed accumulo dei precursori (nucleotidi)
• Polimerizzazione dei monomeri (Acidi Nucleici)
• Protezione - Persistenza
• Espressione della “potenzialità biologica”
delle molecole informative
Alexander I. Oparin
“Proiskhozhdenie zhizny” (“L’Origine della Vita”) 1924
Terra Primordiale
“L’Atmosfera Primitiva”
Idrogeno H Idrogeno H
22Ammoniaca NH Ammoniaca NH
33Metano CH Metano CH
44Anidride Carbonica CO Anidride Carbonica CO
22Azoto N Azoto N
22Vapor d’Acqua H Vapor d’Acqua H
22O O
Mancanza di Ossigeno Molecolare O
2Quindi mancanza della fascia d’Ozono
Chimica Prebiotica
Gas presenti nell’atmosfera primordiale +
Energia (Calore, radiazioni)
Precursori delle molecole biologiche
Pioggia → Oceani primordiali
Ipotesi di Oparin-Haldane (~ 1930)
“Brodo Caldo Diluito”
Stanley Miller (1953)
Polimerizzazione dei precursori
In soluzione acquosa
(oceano primordiale) non si ha polimerizzazione
bensì idrolisi!
Looking for alternative
suitable environments
The Mineral Environment
Vita nei fondali
oceanici
“Lost City”
The “Clay Honeycomb”
The “Clay Honeycomb”
“. . . Le argille o altri minerali furono necessari per:
1) Concentrare i prodotti presenti nel brodo caldo primordiale;
2) Proteggere questi prodotti dalla distruzione dovuta a raggi U.V.;
3) Catalizzare la
polimerizzazione di questi composti fino ad ottenere molecole più complesse . . .
”
J.D. Bernal (1951)
Formation of sugar-phosphates in the presence of mineral particles, Pitsch et al., OLEB (1995)
Stabilization of ribose in the presence of borate minerals, Ricardo et al., Science (2004)
Synthesis of Nucleobases by Formamide in the Presence of Montmorillonite, Saladino et al.,
ChemBioChem (2004)
Synthesis of building blocks
Clay minerals catalyze the formation of oligonucleotides up to 50-mer long
Ertem and Ferris Nature (1996); Ferris et al. Nature (1996) Ertem (2004)
A C T G
C T C
Polymerization of precursors
PANSPERMIA
Molecole nello Spazio
Zucchero nel centro della Galassia
Trovata a 26 mila anni luce da noi la glicolaldeide (Novembre 2008)
La glicolaldeide è la molecola di partenza per ottenere il ribosio, lo zucchero presente
nella molecola dell’RNA
Comete
Asteroidi
Meteorite di Murchison
Condrite carbonacea (4.6 10
9anni)
Analisi chimica:
Aminoacidi
Acidi carbossilici Basi nucleotidiche
Composti organici fosforati
Composti organici solforati
Polioli (zuccheri)
OGNI ANNO >10.000 TONNELLATE GIUNGONO SULLA TERRA !
Polvere Spaziale
Adsorbed molecules on dust particles could be protected
against degradation due to radiation or high temperature
Building Code
• Sintesi dei precursori (nucleotidi) e loro polimerizzazione;
• Persistenza / protezione dei polimeri nascenti in un ambiente in continuo cambiamento;
• Espressione della “potenzialità biologica”
dei polimeri informazionali originatisi.
Protection from Degradation
Fate of DNA in Soil Environment
Extracellular DNA
Excretion Lysis
Degradation
Persistence
Adsorption on soil particles (clay minerals)
Studi sul “Fate” del DNA nell’ambiente mostrano che
Il DNA adsorbito alle particelle di argilla, non solo persiste per tempi lunghissimi
nell’ambiente,
ma mantiene pure le sue
“caratteristiche” biologiche.
(Gallori et al., 1994; Stotzky and Gallori, 1996; Vettori et al., 1996, 2000)
Nucleic Acid-Clay Complexes
Clay minerals:
RNA-Clay Complexe s
RNA DNA
DNA-Clay Complexe s
Electron Microscopy (T.E.M.)
K-Chromosomal DNA (X 154,000)
K-Plasmid DNA (X 271,500)
Franchi and Gallori, 2004; Gallori et al., 2006
Franchi and Gallori, 2004; Gallori et al., 2006
B-Form
A-Form
Franchi and Gallori, 2004; Gallori et al., 2006
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250
(cm-1)
Absorbance
free DNA K-adsorbed DNA
kaolinite
FT-IR Analysis of Clay-Nucleic Acid complexes
FT-IR Analysis of Clay-Nucleic Acid complexes
Protective capabilities of clay minerals (DNA)
Protection from physical agent: UV and X-ray
radiation
U.V.
radiatio n
DNA adsorbed on clay minerals is protected
from both UV and X-ray radiation
Ciaravella et al., 2004; Scappini et al.,
2004
Building code Building code
• Synthesis and accumulation of precursors (i.e. nucleotides)
• Joining of precursors into larger molecules (i.e. DNA, RNA)
• Protection of molecules from degradation
• Expression of “biological”potentiality of
the informational molecule
Molecole di RNA con attività catalitica (Ribozimi) adsorbite alle particelle di argilla sono ancora
“biologicamente” attive?
Portare a termine specifiche reazioni (self-cleavage, self-splicing, ecc.)
Di resistere all’azione di vari agenti degradativi (raggi UV, ecc.)
Franchi & Gallori, 2005; Biondi et al., 2007; Biondi et al.,
2007
Phosphate (from apatite)
N-Base
Ribose
RADIATION
