lunedì 1 maggio 2017

ORIGINE DELLA VITA: 1) Il Protoorganismo




Post.n.31

La ricerca sull'origine della vita, dopo secoli di discussioni teologiche e filosofiche, ha avuto inizio soltanto nella prima metà del secolo scorso. Oggi, dopo oltre mezzo secolo di ricerche, gli scienziati hanno una sola certezza: la vita ha avuto origine dalla materia inanimata.
In tutti gli articoli pubblicati nel Blog abbiamo affrontato tutte le problematiche che investono l’origine della vita. È giunto il momento di fare una sintesi e cercare di capire in che modo la vita può aver avuto origine dalla materia inanimata. Verranno richiamati brevemente affermazioni e concetti di tali articoli, sui quali verrà posto, tra parentesi, il numero del post per chi volesse maggiori chiarimenti.
Se la domanda è: come ha avuto origine la vita? Allora partiamo dalla vita per capire come essa possa aver avuto origine.
Abbiamo definito la cellula batterica l’entità minima vitale, il primo stadio della vita (post n. 30).
Ma tutti gli scienziati convengono che la vita non può avere avuto inizio direttamente con la cellula. Anche le cellule batteriche, pur nelle loro semplicità, rispetto alle cellule degli organismi superiori, sono comunque di enorme complessità. Si ritiene quindi che tra il periodo della chimica, cioè la fase in cui si accumularono e interagirono le sostanze fondamentali della vita, e la comparsa della cellula, sia esistito qualcosa di intermedio che gli scienziati chiamano: proto-organismo, o proto-cellula o fase pre-cellulare. Qui viene utilizzato il termine, proto-organismo, già utilizzato da Mario Ageno agli inizi degli anni ’80, e che sembra dare al meglio l’idea di questo intermedio.
Ora, il problema è che tutti gli scienziati parlano di proto-organismo ma nessuno sa cos'è.
Si pone quindi il problema, innanzitutto di definire il proto-organismo, capire come esso può aver avuto origine dalla materia inanimata e, successivamente, come ha fatto a trasformarsi in cellula.
Prima di proseguire sono necessarie della precisazioni.
In primo luogo, per proto-organismo non si intende un’entità unica, solitaria, comparsa sulla terra e da cui emerse una sola ed unica cellula. Per proto-organismo si intende miliardi di miliardi di entità, chimicamente abbastanza simili, diffusi su tutta la superficie del pianeta. Forse per alcuni ricercatori non è così, in ogni modo, cosi esso è inteso in questa trattazione.
In secondo luogo, il proto-organismo fu un’entità dinamica, all'interno del quale avvenne un’evoluzione chimica, cioè processi che hanno portato miliardi di loro a raggiungere lo stato cellulare. Altri proto-organismi, forse la maggior parte, imboccata la strada sbagliata si sono dispersi nell'ambiente.
Infine, noi non conosciamo i processi avvenuti all'interno del proto-organismo, possiamo fare solo delle ipotesi. Ma per poter fare delle ipotesi dobbiamo cercare individuare le basi chimiche del proto-organismo, cioè le molecole che possono aver dato inizio a questi processi.
Qui sorge un altro problema, gli scienziati non solo non hanno una definizione di proto-organismo, ma non sono nemmeno d’accordo su come iniziare per definire il proto-organismo, cioè come individuare le basi chimiche del proto-organismo.
Infatti, per alcuni scienziati per prima apparvero dei compartimenti, vescicole di acidi grassi, membrane tipo liposomi, all'interno dei quali si accumularono proteine e acidi nucleici, capaci rispettivamente di metabolismo e replicazione.  
it.wikipedia.org
 
 Pier Luigi Luisi è un autorevole esponente dei “compartimentalisti” e come egli stesso afferma in “Sull'origine della vita e della biodiversità” 2013, i compartimenti proto-cellulari sono imprescindibili per l’origine della vita.
 Per molti altri scienziati tutto ebbe inizio attraverso processi unicamente metabolici all'interno di membrane polimeriche (prima il metabolismo), mentre per altri apparvero per prima molecole unicamente replicative (prima la replicazione, Mondo a RNA).
Ma in merito a queste teorie Luisi scrive (opera citata): «Tutte condividono un problema principale: ognuna di queste teorie deve partire da una serie di assunzioni più o meno arbitrarie». In particolare, il mondo comportamentalista deve assumere che le macromolecole (acidi nucleici ed enzimi) fossero già presenti nell'ambiente prebiotico, l’approccio metabolico parte invece dall'assunzione che fossero già presenti gli enzimi, il mondo a RNA parte dall'assunzione che fosse a disposizione un RNA autoreplicante.
Come abbiamo più volte sottolineato, a fare uso di assunzione arbitrarie difficilmente si fanno passi avanti e così, anche in questo caso, della definizione di proto-organismo non c’è nessuna traccia.
Allora, per arrivare ad una sostenibile definizione di proto organismo, invece di partire da assunzioni arbitrarie dobbiamo partire da dati certi e scenari possibili in epoca prebiotica.
Se la cellula batterica è l’entità minima vitale, per identificare le basi chimiche del proto-organismo, possiamo partire ponendoci una domanda?
Quali e quante macromolecole ha bisogno una cellula per poter essere considerata vivente?
La cellula batterica è l’entità minima vitale. Le cellule batteriche, però, non hanno tutte lo stesso numero di macromolecole. Il DNA dell’Escherichia coli, per esempio, possiede circa 3000 geni e quindi altrettante possibili proteine, mentre Pelagibacter Ubique ne contiene circa 1300. Il più piccolo batterio vivente a tutt'oggi noto è un parassita obbligato, il Micoplasma Genitalium che contiene circa 500 geni e altrettante possibili proteine. La maggior parte degli scienziati, siano essi comportamentalisti, sostenitori del “Mondo a RNA” o del metabolismo, sono però convinti che una cellula possa vivere con un numero di geni inferiore, e concordano con un genoma minimale di circa 200 geni e altrettante proteine.
Se questo potrebbe essere stato il contenuto della cellula minimale, se il proto-organismo fu qualcosa di intermedio tra il periodo della chimica e la comparsa della cellula, in che cosa poteva differenziarsi il proto-organismo dalla cellula minimale?
Riprendiamo allora la definizione di vita: metabolismo, riproduzione, evoluzione.
Quale di queste tre proprietà apparteneva già al proto-organismo?
L’evoluzione è una caratteristica degli organismi viventi. Quindi per avere evoluzione dobbiamo avere almeno l’entità minima vitale, cioè la cellula. Noi, però, non abbiamo la cellula, ma il proto-organismo, e poiché esso non è ancora un organismo vivente l’evoluzione era assente. Il proto organismo doveva, quindi, essere costituito da metabolismo e riproduzione. La questione è che l’evoluzione discende dalla riproduzione, se non c’è evoluzione è perché non c’è riproduzione e quindi il proto-organismo non poteva contenere la riproduzione, ma doveva contenere solo il metabolismo.
Ma si possono separare metabolismo e riproduzione in un proto-organismo?
Secondo Mario Ageno, “Lezioni di Biofisica 3” 1984, un sistema composto di solo metabolismo non avrebbe alcuna importanza dal punto di vista biologico perché ben presto si sarebbe dissipato nell'ambiente senza lasciare né eredita né traccia. Secondo Ageno la capacità di riprodursi è una caratteristica irrinunciabile per qualunque sistema. D’altra parte, come ha spiegato Dorothy Crawford a proposito dei Virus in ”Il nemico invisibile” 2002, non può esistere riproduzione senza metabolismo. I Virus si riproducono sfruttando il metabolismo della cellula ospite e se non trovano una cellula ospite si decompongono.
Quindi metabolismo e riproduzione non sarebbero separabili, ma il proto-organismo non può contenere la riproduzione. Come usciamo da questa dilemma?
Il problema, come spesso accade, va ricondotto ad una questione di terminologia. Il termine riproduzione contiene il termine replicazione, cioè una cellula prima di riprodursi deve replicare il proprio genoma. Gli organismi viventi si riproducono, le molecole si replicano. Il proto-organismo non è un organismo vivente e quindi non si riproduce. Si usa spesso il termine riproduzione in senso generale, anche per i Virus. In realtà, i Virus all'interno della cellula non si riproducono ma si replicano, cioè sfruttano l’apparato metabolico per replicare il proprio Genoma e aumentare di numero fino a soffocare la cellula. Quindi il proto-organismo non poteva essere un sistema metabolico-riproduttivo perché la riproduzione è una caratteristica della vita ma doveva essere, verosimilmente, un sistema metabolico-replicativo. In altre parole il proto-organismo per sopravvivere aveva solo la necessità, attraverso un metabolismo rudimentale, di replicare le molecole danneggiate.
Allora, se il proto-organismo fu un sistema metabolico-replicativo, necessitava ancora di un genoma di 200 geni, necessari per la cellula minimale?
In sintesi si tratta di ricercare quali caratteristiche degli attuali organismi viventi possono essere state, nel proto-organismo, diverse o più semplici di quelle attuali. Poiché su questi argomenti esistono opinioni diverse, tra diverse opzioni, facendo seguito al rasoio di Occam, dobbiamo scegliere quella più semplice e credibile. Ricordiamo che William Ockham era un frate francescano del 14° secolo, a lui si fa risalire il principio del rasoio di Occam: bisogna sempre partire da supposizioni semplici, ovvie e aggiungere successivamente la complessità se necessario. Certamente non è un principio universale ma nel nostro caso può esserci utile.
1) Tutti i ricercatori ritengono che il proto-organismo abbia avuto origine all'interno di compartimenti chiusi.
Come abbiamo già esposto, alcuni scienziati ritengono che questi compartimenti fossero membrane polimeriche. Essi però partono dall'assunto che fossero già presente, nell'ambiente, le macromolecole fondamentali (acidi nucleici e proteine) e non spiegano, quindi, come queste molecole si siano formate. Inoltre non è dato conoscere come queste molecole si siano accumulate, selettivamente, all'interno delle membrane.
Secondo J. B. Bernal (post n.8) i compartimenti furono, invece, cavità e spazi inter-cristalline all'interno di granuli di argilla. In questi compartimenti, in costante contatto con l’ambiente esterno, si potevano accumulare e interagire le molecole necessarie all'origine del proto-organismo. Inoltre, si poteva evitare la dispersione delle macromolecole nell'ambiente esterno o la loro demolizione
 
 per l’azione dei raggi ultravioletti. Si tenga presente che la possibilità di accumulo di molecole semplici e sintesi polimeriche, all'interno delle argille, è stata ampiamente dimostrata in varie ricerche.

Questa ipotesi sui compartimenti, condivisa da parecchi ricercatori, sembra più credibile perché non parte da nessun assunto.
Se il proto-organismo ebbe origine all'interno di cavità argillose non era necessaria, in quella prima fase, la membrana proto-cellulare. Se quest’ultimo elemento era assente, erano assenti anche i geni e le proteine necessarie alla sua replicazione, il genoma doveva, quindi, ridursi di alcune di unità.
2) In tutti gli organismi viventi un acido nucleico, il DNA, ha la funzione di archivio dell’informazione genetica. Porzioni di DNA, i geni, vengono trascritti in acido nucleico messaggero, mRNA. È l’mRNA che traduce l’informazione in proteine.
Ma il DNA è sempre esistito? La quasi totalità degli scienziati, è oggi d’accordo su quanto scrisse Mario Ageno, già all'inizio degli anni 80, nel capitolo “Dai precursori al proto-organismo” (opera citata). Egli ha fatto un’analisi approfondita sull'argomento e scrive: «È concepibile che, all'inizio, la trascrizione non esistesse. Un unico acido nucleico ad elica singola poteva contemporaneamente svolgere la funzione di archivio dell’informazione chimica ed intervenire attivamente nelle operazioni di sintesi». Se il DNA era assente erano assenti anche il gruppo delle proteine necessarie alla sua replicazione. Il genoma del proto-organismo si semplifica ancora, almeno di una decina di unità.
3)  La sintesi delle proteine (post n. 27) è un processo abbastanza complesso. Essa necessita di un RNA messaggero, di RNA di trasporto (adattatori), un Ribosoma, di enzimi per la sintesi del polipeptide proteico. Un simile sistema poteva essere presente nel proto-organismo?
 Scrive ancora Ageno: «È concepibile, anzi praticamente certo, che il ribosoma, se esisteva, fosse inizialmente diverso da ora, riducendosi alla sola componente nucleica. Ma è anche possibile che all'inizio il ribosoma non esistesse e la sintesi avvenisse per interazione tra l’RNA e gli adattatori caricati coi relativi amminoacidi. È invece probabile che gli adattatori, eventualmente più semplici di quelli attuali, esistessero fin dall'inizio. In caso contrario infatti si dovrebbero postulare interazioni dirette specifiche tra triplette di nucleotidi ed amminoacidi, interazioni che non sembrano esistere almeno con una intensità e specificità sufficiente per influire in modo determinante sull'allineamento degli amminoacidi nella proteina […]». Ora, poiché qui si ritiene che sia esistita, in epoca prebiotica, un interazione diretta e specifica tra il tri-nucleotide e l’amminoacido (post n. 27), anche gli adattatori, i tRNA, erano assenti.
Il ribosoma degli attuali batteri contiene circa 50 proteine. I tRNA necessitano di almeno 20 enzimi specifici per legare ciascun amminoacido ad ogni tRNA. Una volta allineati i tRNA sono necessari diversi altri enzimi per legare gli amminoacidi nel polipeptide. Se tutto questo sistema complesso non esisteva, se anche i tRNA erano assenti, erano assenti anche le proteine, e quindi i geni, necessarie alla loro sintesi, il genoma del proto-organismo si riduce notevolmente.
In definitiva, un calcolo approssimato dei punti sopra esposti porta a concludere che proto-organismo poteva iniziare la propria esistenza con un genoma di circa 100 geni e altrettante proteine.
Partiamo allora dall’ipotesi che il porto-organismo contenesse un genoma di RNA di circa 100 geni.
Come abbiamo già esposto (post n. 29), intorno al 1970 è stata avanzata l’ipotesi che le proteine fossero costituite da domini, cioè una sequenza di amminoacidi che si conserva nel corso dell’evoluzione. Nel 1974 Rossman ha individuato un dominio di circa 70 amminoacidi presente in molti enzimi e propose che tale dominio fosse addirittura di origine prebiotica (Russell F. Doolittle “Le Proteine” Le Scienze 1985). Ma oggi molti ritengono che i domini, in epoca prebiotica, fossero più piccoli e costituiti principalmente da ꭤ-eliche di circa 20 amminoacidi (Mike Williamson,” Come funzionano le proteine” 2013).
Ora, ogni gene una proteina, se i 100 geni codificavano per 100 proteine mediamente di 20 amminoacidi, quali erano le dimensioni del genoma del proto-organismo?
Secondo il codice genetico tre triplette (cioè tre nucleotidi) codificano un amminoacido (3:1), quindi per specificare 100 proteine di 20 amminoacidi cioè 2000 amminoacidi è necessario un genoma composto da 6000 nucleotidi.  Riprendiamo come esempio l’immagine di uno dei quattro nucleotidi: l’Adenosin-5-fosfato
https://it.wikipedia.org/wiki/Adenosina_monofosfato

Quindi per dare origine ad un genoma di 100 geni avrebbero dovuto legarsi, spontaneamente e nel modo giusto 6000 di questi nucleotidi. Nessun chimico e nessun biologo crede alla possibilità della formazione, in epoca prebiotica, di una così grande molecola. Possiamo sicuramente concludere che un simile genoma, inizialmente, non esisteva. È molto probabile invece che quando il proto-organismo comincia a muovere i primi passi, al suo interno invece di un unico genoma di 100 geni erano presenti 100 geni indipendenti, separati uno dall'altro, ciascuno codificante per una proteina.
Pertanto possiamo concludere come segue:
Il proto-organismo ebbe origine all'interno di cavità argillose, dove si accumularono e interagirono le sostanze fondamentali per l’origine della vita. Esso era in costante contatto con l’ambiente per l’approvvigionamento delle sostanze necessarie alla sua evoluzione chimica. Non esisteva ancora né il DNA come archivio dell’informazione genetica, né esisteva un unico genoma ad RNA a svolgere la doppia funzione di archivio dell’informazione genetica e sintesi delle proteine e non erano presenti i tRNA per il trasporto degli amminoacidi.
Il proto-organismo doveva risultare costituito da singoli geni di RNA, circa 100, inizialmente completamente indipendenti e di circa 100 proteine. All'interno del proto-organismo dovevano essere presenti i costituenti delle proteine e dell’RNA, e piccole molecole organiche provenienti dall'ambiente esterno. La sintesi degli RNA e la sintesi delle proteine avveniva per interazione diretta rispettivamente tra amminoacido di una proteina e nucleotidi e tra nucleotidi dell’RNA e amminoacidi (post n. 29).
Definito il proto-organismo si pongono due domande:
Come ha avuto origine il proto-organismo dalla materia inanimata?
Come è avvenuto il passaggio dal proto-organismo alla cellula?

                                                                                              Giovanni Occhipinti


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