Ricerca

Alla ricerca della chimica della vita

Polvere Nucleobase e sfere d’acciaio in un barattolo di macinazione.

Lo studio mostra un nuovo modo possibile per creare coppie di basi del DNA

Nella ricerca delle origini chimiche della vita, i ricercatori hanno trovato una possibile via alternativa per l’emergere del caratteristico pattern del DNA: secondo gli esperimenti, le caratteristiche coppie di basi del DNA possono formarsi per riscaldamento a secco, senza acqua o altri solventi. Il team guidato da Ivan Halasz dell’Istituto Rudjer Boskovic ed Ernest Mestrovic dell’azienda farmaceutica Xellia presenta le sue osservazioni dalla sorgente di raggi X PETRA III di DESY sulla rivista Chemical Communications .

“Una delle domande più intriganti nella ricerca dell’origine della vita è come è avvenuta la selezione chimica e come si sono formate le prime biomolecole”, dice Tomislav Stolar dell’Istituto Rudjer Boskovic di Zagabria, il primo autore dell’articolo. Mentre le cellule viventi controllano la produzione di biomolecole con i loro sofisticati macchinari, i primi mattoni molecolari e supramolecolari della vita sono stati probabilmente creati dalla chimica pura e senza catalisi enzimatica. Per il loro studio, gli scienziati hanno studiato la formazione di coppie nucleobase che agiscono come unità di riconoscimento molecolare nell’acido desossiribonucleico (DNA).

Il nostro codice genetico è memorizzato nel DNA come una sequenza specifica scritta dalle basi azotate adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Il codice è organizzato in due lunghi fili complementari avvolti in una struttura a doppia elica. Nei filamenti, ciascuna nucleobase si accoppia con un partner complementare nell’altro filamento: adenina con timina e citosina con guanina.

“Nel DNA si verificano solo combinazioni di accoppiamento specifiche, ma quando le basi azotate sono isolate non amano legarsi l’una all’altra. Allora perché la natura ha scelto queste coppie di basi?” dice Stolar. Le indagini sull’accoppiamento di basi azotate sono aumentate dopo la scoperta della struttura a doppia elica del DNA da parte di James Watson e Francis Crick nel 1953. Tuttavia, è stato abbastanza sorprendente che ci sia stato scarso successo nel raggiungimento di un accoppiamento di basi azotate specifiche in condizioni che potrebbero essere considerate come prebioticamente plausibili .

“Abbiamo esplorato un percorso diverso”, riferisce il coautore Martin Etter di DESY. “Abbiamo cercato di scoprire se le coppie di basi possono essere generate da energia meccanica o semplicemente riscaldando”. A tal fine, il team ha studiato le basi azotate metilate. Avere un gruppo metile (-CH3) attaccato alle rispettive basi azotate in linea di principio consente loro di formare legami idrogeno sul lato Watson-Crick della molecola. Le basi azotate metilate si trovano naturalmente in molti organismi viventi dove svolgono una varietà di funzioni biologiche.

In laboratorio, gli scienziati hanno cercato di produrre coppie nucleobase mediante macinazione. Le polveri di due basi azotate venivano caricate in un barattolo di macinazione insieme a sfere d’acciaio, che fungevano da mezzo di macinazione, mentre i vasi venivano agitati in modo controllato. L’esperimento ha prodotto coppie A: T che erano state osservate anche da altri scienziati in precedenza. La molatura, tuttavia, non è riuscita a ottenere la formazione di coppie G: C.

In una seconda fase, i ricercatori hanno riscaldato le polveri di citosina e guanina macinate. “A circa 200 gradi Celsius, potremmo effettivamente osservare la formazione di coppie citosina-guanina”, riferisce Stolar. Per verificare se le basi formano solo le coppie note in condizioni termiche, il team ha ripetuto gli esperimenti con miscele di tre e quattro basi azotate presso la stazione di misurazione P02.1 della sorgente di raggi X PETRA III di DESY. Qui, la struttura cristallina dettagliata delle miscele potrebbe essere monitorata durante il riscaldamento e si potrebbe osservare la formazione di nuove fasi.

“A circa 100 gradi Celsius, siamo stati in grado di osservare la formazione delle coppie adenina-timina, ea circa 200 gradi Celsius la formazione di coppie Watson-Crick di guanina e citosina”, afferma Etter, capo della stazione di misurazione. “Qualsiasi altra coppia di basi non si è formata anche se riscaldata ulteriormente fino alla fusione.” Ciò dimostra che la reazione termica dell’accoppiamento nucleobase ha la stessa selettività del DNA.

“I nostri risultati mostrano un possibile percorso alternativo su come si sarebbero potuti formare i modelli di riconoscimento molecolare che osserviamo nel DNA”, aggiunge Stolar. “Le condizioni dell’esperimento sono plausibili per la giovane Terra che era un calderone caldo e ribollente di vulcani, terremoti, impatti di meteoriti e ogni sorta di altri eventi. I nostri risultati aprono molte nuove strade nella ricerca delle origini chimiche della vita. ” Il team prevede di indagare ulteriormente su questa rotta con esperimenti di follow-up a P02.1.

DESY è uno dei principali centri acceleratori di particelle al mondo e indaga la struttura e la funzione della materia, dall’interazione di minuscole particelle elementari e il comportamento di nuovi nanomateriali e biomolecole vitali ai grandi misteri dell’universo. Gli acceleratori di particelle e i rivelatori che DESY sviluppa e costruisce nelle sue sedi ad Amburgo e Zeuthen sono strumenti di ricerca unici. Generano la radiazione di raggi X più intensa al mondo, accelerano le particelle per registrare le energie e aprono nuove finestre sull’universo. DESY è membro dell’Associazione Helmholtz, la più grande associazione scientifica tedesca, e riceve i suoi finanziamenti dal Ministero federale tedesco dell’Istruzione e della ricerca (BMBF) (90%) e dagli stati federali tedeschi di Amburgo e Brandeburgo (10%).

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