La protocellula sintetica: siamo sempre più vicini a ricostruire la cellula primordiale

Un team di ricercatori del Massachusetts General Hospital lavora da anni alla creazione di protocellule, ossia cellule primitive sintetiche costituite da un acido nucleico in grado di replicarsi entro una membrana plasmatica, e sembra che sia molto vicino al raggiungimento dell'obiettivo. Su Science i ricercatori hanno descritto una possibile soluzione per quello che potrebbe essere stato un problema cruciale nella cellula primordiale, cioè la possibile incompatibilità tra la stabilità della membrana plasmatica e un'esigenza biochimica riguardante la replicazione dei filamenti di RNA. Gli studiosi per la prima volta sono stati in grado di realizzare la replicazione non enzimatica dell'RNA all'interno di vescicole di acidi grassi. La chimica della replicazione dell'RNA richiede infatti la presenza di ioni magnesio Mg2+, ma tali ioni, ad alte concentrazioni, possono ostacolare la formazione delle semplici membrane di acidi grassi che con tutta probabilità rivestivano i primi tentativi di cellule primordiali. Il team di ricerca, guidato da Jack W. Szostak - Premio Nobel per la medicina nel 2009 - è al lavoro da più di 10 anni nel tentativo di capire come sia potuta comparire la vita dalla non-vita, cioè come le prime cellule si siano potute formare a partire dal "brodo primordiale" di molecole presenti negli oceani. In realtà sappiamo benissimo che esperimenti in tal senso erano stati già compiuti, come il famoso esperimento di Miller, ma la vera difficoltà consiste nel capire come effettivamente, a livello biochimico e metabolico, tante molecole siano riuscite per la prima volta a funzionare insieme, in maniera concertata, tanto da consentire la creazione dal nulla di un'unità biologica nuova, che oggi chiamiamo cellula. Se gli studiosi erano già riusciti a sviluppare membrane plasmatiche semplici, partendo dagli acidi grassi che quasi sicuramente erano già presenti negli oceani all'epoca, lo stesso non si può dire per la componente genetica cellulare, perché sicuramente le cellule primordiali non avrebbero mai avuto a disposizione mell'ambiente esterno le complesse macchine enzimatiche oggi necessarie per il corretto funzionamento degli acidi nucleici (DNA e RNA). 

Un possibile scenario
per le protocellule
©K. Adamala

I ricercatori sono partiti dal presupposto che l'acido nucleico più semplice, l'RNA, potrebbe essere stato il primo tentativo di materiale genetico di una protocellula, e che avrebbe dovuto funzionare in una maniera più semplice di quella attuale per potersi replicare, e così hanno cercato di superare l'incompatibilità tra la presenza di ioni Mg2+ e la capacità che questi hanno di degradare la membrana. Essi hanno testato alcuni chelanti, cioè molecole molto semplici e piccole ma in grado di captare ioni metallici, in modo da proteggere le vescicole di acidi grassi dall'effetto destabilizzante del magnesio, ed hanno scoperto che molti dei chelanti provati si sono rivelati efficaci nella protezione della membrana. Per testare se la presenza dei chelanti consentisse l'assemblaggio dell'RNA catalizzato dagli ioni Mg2+, gli studiosi hanno posizionato all'interno delle vescicole di acidi grassi molecole costituite da un accoppiamento tra un filamento di RNA più lungo, che fungesse da stampo, unito ad un filamento ad esso complementare e più corto, che fungesse da breve primer, cioè innesco per la sintesi del filamento complementare. In presenza degli ioni magnesio e dopo aver testato l'azione di vari agenti chelanti, i ricercatori hanno osservato la reazione desiderata, cioè è stato sintetizzato il filamento di RNA complementare a partire dal primer, ma i risultati migliori si sono registrati in presenza del chelante citrato, che ha fatto verificare la reazione a velocità ben più elevata degli altri; contrariamente al citrato, invece, 2 degli altri chelanti utilizzati addirittura impedivano la formazione del filamento di RNA complementare, forse perché troppo efficaci nel captare il Mg2+ dall'ambiente e, di conseguenza, ne riducono le concentrazioni a livelli poco utili ai fini della replicazione.I ricercatori hanno concluso quindi che il citrato - o una molecola simile ad esso - potrebbe aver svolto un ruolo chiave nella formazione delle prime cellule, perché in grado sia di proteggere la membrana dall'azione degradante degli ioni magnesio, sia di agevolare la sintesi di RNA. Gli studiosi tendono ad escludere l'implicazione del citrato stesso, perché probabilmente non era molto diffuso nelle acque oceaniche della Terra primordiale, ma in assenza delle complesse macchine enzimatiche che si sono sviluppate nel corso dell'evoluzione, qualche altra molecola simile al citrato deve aver svolto un ruolo chiave in un primo rudimentale tentativo di catalizzare la replicazione dei primi acidi nucleici, e il prossimo passo sarà cercare di scoprirla per aggiungere gli ultimi tasselli ad un complicatissimo puzzle evolutivo.
Adamala K, & Szostak JW (2013). Nonenzymatic template-directed RNA synthesis inside model protocells. Science (New York, N.Y.), 342 (6162), 1098-100 PMID: 24288333