Una proteina che copia se stessa
Con un esperimento, gli scienziati dell'ETH sono riusciti a dimostrare che una struttura proteica diffusa in natura - gli amiloidi - è in linea di principio in grado di replicarsi da sola. Questo le rende potenziali precursori di molecole considerate i mattoni della vita.
Per molto tempo sono stati considerati un'aberrazione della biologia: gli amiloidi. Si tratta di accumuli fibrosi di brevi pezzi di proteine. Gli amiloidi hanno una cattiva reputazione perché sono considerati la causa di numerose malattie neurodegenerative, tra cui l'Alzheimer, il Parkinson e la malattia di Creutzfeldt-Jakob.
Solo di recente i ricercatori si sono resi conto che gli amiloidi sono presenti come blocchi strutturali e funzionali in molte forme di vita, dai batteri alle cellule di lievito, da altri funghi all'uomo. Nei vertebrati, ad esempio, svolgono un ruolo nella produzione del pigmento melanina e le cellule di lievito formano una sorta di memoria molecolare con aggregati amiloidi.
Catalizzatori nell'evoluzione prebiotica
Poiché le fibre amiloidi, composte da brevi peptidi, sono in grado di accelerare le reazioni chimiche in modo simile agli enzimi, da alcuni anni sono considerate candidate a diventare le prime molecole precursori della vita. Tuttavia, questo ruolo degli amiloidi nell'origine della vita è stato finora privo di prove di un'importante proprietà chimica: l'autoreplicazione.
Il professor Roland Riek dell'ETH e il suo assistente in capo Jason Greenwald del Laboratorio di chimica fisica sono tra i primi sostenitori della cosiddetta "ipotesi dell'amiloide". In un esperimento sono riusciti a dimostrare che gli amiloidi possono servire come modello chimico per la sintesi di brevi peptidi. Il fattore decisivo è: "Questa capacità si applica potenzialmente anche agli amiloidi stessi - le molecole possono quindi replicarsi", afferma Roland Riek. I ricercatori hanno presentato i loro risultati in uno studio in pagina esternaComunicazioni di Nature.
Modello per l'autocopiatura
La capacità di autoreplicarsi è considerata un prerequisito indispensabile per ogni prima forma di vita. Con la nuova evidenza dell'autoreplicazione negli amiloidi, Riek e il suo team non solo rivelano un'altra intrigante sfaccettatura di queste proteine generalmente sottovalutate, ma forniscono anche un altro anello che in precedenza mancava nella catena di ragionamenti alla base dell'ipotesi amiloide.
Quasi due anni prima, gli scienziati dell'ETH avevano già dimostrato in un esperimento che le strutture amiloidi possono formarsi spontaneamente con sorprendente facilità - a partire da semplici amminoacidi che probabilmente esistevano già sulla Terra inanimata, e in condizioni di reazione che sembrano plausibili anche per il cosiddetto brodo primordiale (Notizie dell'ETH riportato).
Lo stesso vale per la sintesi peptidica ora scoperta: "Il meccanismo di reazione sembra essere di natura generale. ? stabile su ampi intervalli di temperatura e concentrazione di sale in ambienti sia acidi che basici", spiega Greenwald.
Questa scoperta conferma l'ipotesi dei ricercatori che gli amiloidi possano aver svolto un ruolo centrale nello sviluppo delle prime forme di vita all'inizio della storia evolutiva come portatori di informazioni e unità catalitiche.
Probabilmente non si tratta di un "mondo a RNA" puro
Tuttavia, l'idea più diffusa finora per l'origine molecolare della vita è l'"ipotesi dell'RNA". Essa vede solo gli acidi ribonucleici (RNA) come protagonisti del brodo primordiale prebiotico. Questo perché le molecole di RNA possono codificare le informazioni in modo simile al materiale genetico DNA, ma sono anche in grado di auto-replicarsi.
I ricercatori del Fare ricerca all'ETH stanno sfidando il dogma prevalente del "mondo dell'RNA". Secondo loro, l'ipotesi dell'amiloide è più plausibile. Da un lato, infatti, le molecole di RNA con funzione biologica sono molto più grandi e complesse, per cui è difficile che si formino spontaneamente in condizioni prebiotiche. "D'altra parte, gli amiloidi sono molto più stabili dei primi polimeri di acido nucleico e hanno un percorso di sintesi abiotico molto più semplice rispetto alla complessità degli RNA catalitici conosciuti", spiega Greenwald.
Riek aggiunge: "Naturalmente, non saremo mai in grado di dimostrare quale "mondo" sia quello vero - per questo dovremmo tornare indietro negli ultimi 4 o 4,5 miliardi di anni di evoluzione. Ma supponiamo comunque che non un singolo, ma diversi "mondi" molecolari con differenti molecole precursori siano stati coinvolti nell'emergere della vita".
Riferimento alla letteratura
Rout SK, Friedmann MP, Riek R, Greenwald J: Una sintesi peptidica prebiotica diretta al modello basata sugli amiloidi. Nature Communications Volume 9, Numero articolo: 234 (2018) doi: pagina esterna10.1038/s41467-017-02742-3