Si amplia il numero di pianeti che potrebbero essere in grado di ospitare esseri viventi

Esiste la vita senza DNA e RNA? Con gli XNAs realizzati per la prima volta enzimi sintetici

Possibili eccezionali ricadute per la cura di infezioni virali e cancro

[2 dicembre 2014]

Gli scienziati britannici del Medical Research Council (Mrc) affermano di aver raggiunto un eccezionale traguardo scientifico, che potrebbe rivoluzionare il nostro stesso concetto di vita: la creazione di enzimi di materiale genetico artificiale realizzato in laboratorio e su Nature aggiungono che i loro enzimi sintetici funzionano bene come quelli reali.

Gli enzimi sintetici, costituiti da molecole che non esistono in natura, sono in grado di innescare reazioni chimiche in laboratorio, e la ricerca “Catalysts from synthetic genetic polymers”, pubblicata appunto sulla prestigiosa rivista Nature, «fornisce nuovi elementi sulle origini della vita, e potrebbe rappresentare un punto di partenza per una nuova generazione di farmaci e per la diagnostica». I ricercatori, raggiunto questo traguardo, ora sperano di rendere le strutture artificiali più complesse degli enzimi naturali.

I risultati si basano su precedenti lavori del team del Laboratory of Molecular Biology dell’Mrc, che hanno portato alla creazione di molecole sintetiche chiamate XNAs, in grado di memorizzare e trasmettere informazioni genetiche, in modo simile al DNA. Utilizzando le XNAs costruite in laboratorio come elementi di costruzione, il team ha ora creato XNAzymes, che permette reazioni semplici, come tagliare o cucire insieme piccoli pezzi di RNA, proprio come gli enzimi naturali.

Lo XNA sintetico creato dal team di  Holliger  contiene le stesse basi – adenina, timina, guanina, citosina e uracile – alle quali  DNA e RNA si affidano per la codifica delle informazioni ereditarie. Quel che c’è di diverso è lo zucchero collegato ad ogni base: nel DNA e RNA gli zuccheri sono rispettivamente desossiribosio e ribosio, mentre il team di Holliger ha realizzato nuovi tipi di materiale genetico sostituendoli con zuccheri differenti o altre molecole. Ora gli scienziati britannici hanno fatto un passo avanti, mimando i primi anni di vita sul pianeta, mostrando che gli XNAs possono anche servire come enzimi – catalizzatori indispensabili per accelerare le reazioni chimiche di essenziale importanza per la vita.

Il leader del team di ricerca, Philipp Holliger, spiega sul sito dell’Mrc che «tutta la vita sulla Terra dipende da una serie di reazioni chimiche, dal digerire il cibo al produrre DNA nelle nostre cellule. Molte di queste reazioni sono troppo “pigre” per avvenire alla temperatura e alla pressione dell’ambiente, e richiedono enzimi per lanciare o “catalizzare” il processo».

Ognuna delle nostre cellule contiene migliaia di enzimi diversi, molti dei quali sono proteine. Ma alcune delle principali reazioni fondamentali necessarie alla vita sono eseguite dall’acido ribonucleico (RNA), chimicamente molto simile all’acido desossiribonucleico o deossiribonucleico (DNA); si pensa che la stessa vita sia iniziata con l’evoluzione di un enzima autocopiante dell’RNA.

Holliger spiega ancora: «Fino a poco tempo fa, si pensava che il DNA e l’RNA fossero le uniche molecole a poter memorizzare informazioni genetiche e, insieme alla proteine, le uniche biomolecole in grado di formare gli enzimi. Il nostro lavoro suggerisce che, in linea di principio, ci sono una serie di possibili alternative alle molecole naturali che sosterrebbero i processi catalitici necessari per la vita. La scelta da parte della Vita dell’RNA e del DNA potrebbe essere solo un incidente della chimica preistorica». Holliger sostiene che l’RNA e il DNA possano essere arrivati a dominare la Terra per caso, semplicemente perché erano i migliori materiali evolutivi a portata di mano. «Si potrebbe ipotizzare che invece su altri pianeti, invece, possano aver dominato gli XNAs».

Un altro ricercatore, Alex Taylor, che lavora anche la St John’s College di Cambridge, sottolinea che «la creazione di DNA sintetico, e ora di enzimi, fornisce blocchi da costruzione che non esistono in natura e fa emergere anche la possibilità che, se c’è vita su altri pianeti, potrebbe essere spuntata da una serie di molecole completamente diversa. Questo amplia il numero di pianeti che potrebbero essere in grado di ospitare la vita».

DNA e RNA sono i mattoni della vita, e immagazzinano  tutte le nostre informazioni genetiche che passano alle generazioni future. Nel 2012, il team di Holliger aveva dimostrato che anche 6 molecole alternative, chiamate  XNAs, possono memorizzare informazioni genetiche ed evolvere attraverso la selezione naturale. Partendo da questa scoperta hanno realizzato, per la prima volta, 4 diversi tipi di catalizzatori sintetici formati da questi blocchi del tutto artificiali.

Il team ha scoperto che era possibile creare enzimi da zero utilizzando materiale che non esiste in natura. Anche se del tutto artificiali, gli enzimi sintetici sono in grado di costruire e di abbattere le molecole – proprio come quelle presenti in natura. Gli “Xnazimi”  uniti alle XNAs si attaccano insieme, il che rappresenta uno dei primi passi per la creazione di un sistema vivente.

Dato che  gli Xnazimi sono molto più stabili degli enzimi naturali, gli scienziati ritengono che «potrebbero essere particolarmente utili per lo sviluppo di nuove terapie per una serie di malattie, tra cui il cancro e le infezioni virali, che sfruttano i processi naturali del corpo a prendono piede nell’organismo».

Holliger aggiunge: «I nostri XNAs sono chimicamente estremamente robusti e, dato che non si realizzano in natura, non sono riconosciuti dagli enzimi degradanti naturali del corpo. Questo potrebbe renderli dei candidati interessanti per i trattamenti di lunga durata, che possono disturbare gli RNA correlati alla malattia».

Commentando la ricerca finanziata dall’European Science Foundation e dal Biotechnology and Biological Sciences Research Council, Paul Freemont, un biologo strutturale dell’Imperial College di Londra, ha detto alla BBC: «Possiamo intravedere nuove strategie terapeutiche, se siamo in grado di iniziare a imitare la natura e a sviluppare varianti sintetiche. Quello che mi eccita di più sono gli interrogativi sulle origini della vita; questo costringe la gente a pensare che ciò che vediamo sul nostro pianeta è solo una possibilità chimica. E’ la sfida pura della chimica della vita».

Anche per il premio Nobel Jack Szostak della Harvard University, che studia le origini della vita sulla Terra,  «questo lavoro è un altro bel passo avanti verso la dimostrazione della capacità funzionali degli  XNAs. La possibilità che la vita altrove, su pianeti extrasolari, avrebbe potuto iniziare con qualcosa di diverso dal  RNA o dal DNA è molto interessante, ma il biopolimero primordiale per qualsiasi forma di vita deve soddisfare altri vincoli, come essere qualcosa che può essere generato  dalla chimica prebiotica e replicato in modo efficiente. Se lo XNA possa soddisfare questi vincoli, oltre a fornire funzioni utili, rimane una questione aperta».

Patrick Maxwell, a capo del Chair of the  Molecular and Cellular Medicine Board dell’Mrc, conclude: «La biologia sintetica fornisce alcune anticipazioni davvero incredibili che promettono di cambiare il nostro modo di intendere e di curare le malattie. Il Regno Unito eccelle in questo campo, e questo ultimo progresso offre la prospettiva allettante di utilizzare parti biologiche progettate  come punto di partenza per una nuova classe di terapie e strumenti diagnostici più efficaci».