La quasispecie di RNA

Un esperimento condotto daIl biochimico Sol Spiegelmann ((1915-1983), biochimico allora presso l’università dell’Illinois nel 1967 e diventato ormai un classico, ha mostrato come può agire la selezione darwiniana a livello molecolare. L’esperimento è stato effettuato utilizzando un batteriofago a RNA il Q_β.

RNA altamente purificato del fago Q_βfu introdotto in una provetta contenente un brodo nutrizionale in cui erano presenti le 4 basi azotate attivate, cioè sotto forma di ATP, GTP, UTP e CTP, (le basi sono legate allo zucchero e a una “coda” di tre gruppi fosfato) e l’enzima specifico per la replicazione di tale RNA; l’RNA virale si duplicò docilmente; a questo punto Spiegelmann estrasse e purificò l’RNA formatosi in questo modo, lo introdusse in nuove provette e così via attraverso diversi passaggi. Il risultato fu che, ad ogni nuovo passaggio, l’RNA era in grado di replicarsi più in fretta; durante la riproduzione della molecola avvenivano errori di duplicazione che simulavano una selezione darwiniana a livello molecolare: le molecole che erano in grado di riprodursi più in fretta, divennero predominanti e si sostituirono alle forme originarie, così che dopo un certo numero di generazioni il filamento iniziale, contenente 4500 basi, si era “snellito” a sole 220. Era dunque avvenuta una sorta di selezione darwiniana: le molecole più corte, più veloci nella duplicazione, avevano preso il sopravvento, sebbene avessero perso la loro capacità infettante, che d’altra parte, in quell’ambiente super protetto, non aveva valore adattativo

Manfred Eigen (1927, direttore dell’Istituto Marx Plank di Gottinga dal 1964, premio Nobel per la chimica 1967) e il suo gruppo hanno condotto esperienze altrettanto interessanti presso l’università di Gottinga: hanno ripetuto l’esperimento di Spiegelmann, riducendo progressivamente la quantità di RNA virale iniziale; anche in questo caso si assisteva alla duplicazione esponenziale dell’RNA, che proseguiva anche in completa assenza di RNA virale: vi era dunque sintesi spontanea, senza stampo di RNA a partire soltanto dai suoi costituenti; questo RNA autoriprodottosi senza bisogno di stampo aveva una composizione identica alla variante “snellita” ottenuta da Spiegelmann.

Eigen, negli anni Settanta ha studiato una popolazione di molecole di RNA in grado di autoriprodursi (i nudi replicanti a cui spesso allude Dawkins) attraverso un modello matematico. Il suo lavoro è stato di importanza fondamentale per la precisazione del concetto darwiniano di “sopravvivenza del più adatto”, accusato da più parti di essere un principio tautologico. Il suo modello ha evidenziato che all’interno di una popolazione di replicanti emerge un insieme di molecole avente valore selettivo ottimale, a cui ha dato il nome di quasispecie, mentre molecole con un ritmo di crescita inferiore o soggetto ad un numero elevato di errori durante le replicazione vengono eliminate. Questa popolazione è caratterizzata da una rapida crescita e da una maggiore adattabilità a variazioni ambientali indotte sperimentalmente. Il modello è stato confermato da altri studiosi (Weissmann, 1978; Domingo, 1980) e ha permesso di mettere in relazione il tasso di errore con la quantità di informazione posseduta da una data sequenza nucleotidica: se le copie difettose prendono il sopravvento sulla sequenza dominante, si ha l’estinzione della popolazione attraverso un processo a cascata definito da Orgel ed Eigen la “catastrofe dell’errore”. L'analisi matematica del modello ha mostrato che il tasso di errore non deve superare il reciproco del numero di basi che compongono la sequenza, vale a dire che se la sequenza è costituita da 10⁸ nucleotidi, il tasso di errore non deve superare 1/10⁸, condizione ampiamente soddisfatta dagli organismi attuali che hanno sviluppato sofisticati sistemi di controllo e correzione degli errori di trascrizione, mentre gli esperimenti di replicazione dell’RNA in condizioni abiotiche forniscono tassi di errore molto più elevati, dell’ordine di 10^-2.

La quasispecie, pertanto, dal momento che non possedeva enzimi sofisticati, doveva possedere una sequenza nucleotidica sufficientemente corta.

Un possibile candidato a rappresentare la prima molecola autoreplicante apparsa sulla terra è il tRNA (RNA di trasporto); queste le osservazioni:

si tratta di molecole sufficientemente corte che si legano agli aminoacidi;
l’analisi delle sequenze delle loro basi ha anche messo in luce che tutte le molecole di tRNA di uno stesso organismo hanno avuto origine da una sola distribuzione di mutanti pressoché contemporaneamente
per 24 molecole di tRNA, analizzate in 24 specie diverse, si possono ricostruire alberi filogenetici, le cui biforcazioni risalgono a circa 3 miliardi di anni fa.

In qualche modo, secondo il modello di Eigen, una volta affermatesi diverse popolazioni di quasispecie, gli RNA autoreplicantesi possono aver originato proteine con funzione enzimatica in grado di permettere una migliore duplicazione dell’RNA, rispetto a quella presente nella quasispecie iniziale. Le corte molecole di RNA possono essersi legate agli aminoacidi, di cui la terra primigenia certamente abbondava, come hanno mostrato gli esperimenti di Miller e come è stato confermato dagli studi su materiali provenienti dal cosmo. Si può ipotizzare che due RNA legati a due aminoacidi si siano casualmente scontrati e uno degli aminoacidi si sia staccato dal RNA, formando, in modo analogo a quanto accade ancora attualmente, un legame peptidico con un altro aminoacido rimasto ancorato al suo RNA; il processo avrebbe potuto ripetersi per formare un tripeptide e così via. A questo punto, secondo l’ipotesi di Eigen e Schuster, poté instaurarsi un circolo virtuoso: i replicanti I_i (i = 1,2,...,n) e gli enzimi E_i da loro prodotti collaborarono fra loro come descritto in figura: E₁ aumenta il tasso di replicazione di I₂ , E₂ quello di I₃ , ..., E_n quello di I₁ . Le macromolecole cooperano per incrementare le iniziale capacità di traduzione in modo che l’informazione (le sequenze di RNA) sia tradotta in enzimi; l’organizzazione ciclica assicura stabilità al sistema, eliminando la competizione fra replicanti e il tasso di riproduzione delle diverse molecole aumenta in funzione della concentrazione delle molecole che nel ciclo precedono; si parla in questo caso di iperciclo.

Le brevi catene ad RNA, collaborando fra loro per la costruzione di proteine, avrebbero potuto evitare la “catastrofe dell’errore”, in quanto la competizione era stata sostituita dalla collaborazione; non mancano però critiche a questo modello.