Amminoacidi alifatici nell'ambiente primordiale

L' inventario primordiale degli amminoacidi non era un sottoinsieme casuale degli amminoacidi utilizzati dalla biologia moderna. Due linee di evidenza indipendenti convergono sulla stessa breve lista: glicina, alanina, acido aspartico e valina dominano sia la chimica prebiotica simulata sia il contenuto amminoacidico delle condriti carbonacee come Murchison. Poiché queste molecole sono piccole, strutturalmente semplici e possono formarsi senza enzimi, costituiscono i substrati più plausibili per il primo apparato di traduzione.

L'albero genealogico degli alifatici

L'albero genealogico degli amminoacidi alifatici organizza gli amminoacidi rilevanti per la traduzione precoce in base alla chimica della catena laterale e alla disponibilità prebiotica, non in base all'ordine in cui i codoni furono successivamente assegnati. La glicina non porta nulla di più grande di un idrogeno; alanina e valina portano corte catene alchiliche non polari; l'acido aspartico porta una catena corta, acida, contenente un gruppo carbossilico. Tutti e quattro si collocano all'estremità semplice dello spettro strutturale e nessuno di essi necessita di una via biosintetica dedicata per comparire in una miscela prebiotica.

Due linee di evidenza indipendenti

Sintesi prebiotica di tipo Miller. Gli esperimenti di scarica elettrica su miscele gassose ridotte producono glicina e alanina nelle quantità maggiori, seguite da acido aspartico e valina: un ordine che riflette la facilità con cui ciascuna molecola si assembla a partire da precursori semplici.
Meteorite di Murchison. Gli estratti di questa condrite carbonacea contengono gli stessi amminoacidi dominanti, il che indica che queste molecole si sono formate abioticamente anche oltre la Terra e che la consegna esogena potrebbe aver integrato l'inventario terrestre.

È la convergenza che sostiene l'argomentazione: quando una sintesi di laboratorio e un campione meteoritico, due contesti fisici completamente diversi, selezionano gli stessi quattro amminoacidi, lo schema riflette molto più probabilmente la chimica abiotica che una coincidenza o una contaminazione.

Perché l'abbondanza conta: un inizio limitato dal substrato

Il primo apparato di traduzione sarebbe stato limitato dal substrato. Un amminoacido prodotto o fornito in grandi quantità viene incontrato molto più spesso, quindi ha una probabilità maggiore di essere reclutato dalle prime catene adattatrici e messaggere rispetto a una molecola rara che dipende da una lunga via catalizzata da enzimi. L'abbondanza è dunque un indicatore della disponibilità, e la disponibilità è una precondizione per il reclutamento.

Ciò che l'evidenza vincola — e ciò che non determina

L'approvvigionamento ambientale vincola il gruppo di candidati, ma non determina l'ordine di assegnazione dei codoni. La corrispondenza tra l'ordine di abbondanza glicina > alanina > acido aspartico > valina e le prime assegnazioni dei codoni nella cornice GC è suggestiva, ma la mappatura riflette anche le affinità RNA–amminoacido, la chimica codone–anticodone e la successiva espansione o riassegnazione del codice. L'abbondanza restringe chi poteva entrare presto; di per sé non fissa l'ordine di ingresso.

Leggi l'abbondanza come probabilità, non come prova

Un'elevata resa prebiotica o un'elevata abbondanza meteoritica aumenta la probabilità a priori che un amminoacido fosse disponibile presto; di per sé non dimostra che sia stato usato per primo. Tieni separate le due affermazioni: la disponibilità è un fatto ambientale, l'assegnazione dei codoni è un esito del sistema di codifica plasmato da ulteriori vincoli chimici ed evolutivi.

Approvvigionamento prebiotico di amminoacidi

Le barre appaiate confrontano le rese relative di glicina, alanina, acido aspartico e valina dalla sintesi prebiotica di tipo Miller con la loro abbondanza relativa negli estratti del meteorite di Murchison, mentre l'albero genealogico in riquadro raggruppa le stesse molecole per chimica della catena laterale. Entrambe le linee di evidenza selezionano gli stessi quattro amminoacidi piccoli, alifatici o semplici, il che li rende i candidati più forti per il primo apparato di traduzione limitato dal substrato; lo schema vincola il gruppo di candidati precoci senza fissare il successivo ordine di assegnazione dei codoni.

DOMANDA 1

Quale insieme di amminoacidi viene ritrovato come prodotto dominante sia nella sintesi prebiotica di tipo Miller sia negli estratti del meteorite di Murchison?

Cisteina, serina, treonina e asparagina

Arginina, lisina, istidina e triptofano

Fenilalanina, tirosina, triptofano e metionina

Glicina, alanina, acido aspartico e valina

DOMANDA 2

Perché un'elevata abbondanza prebiotica è importante per il primissimo apparato di traduzione?

Perché l'abbondanza fissa direttamente quale codone riceverà l'amminoacido

Perché gli amminoacidi abbondanti sono chimicamente reattivi verso ogni sequenza di RNA

Perché l'apparato era limitato dal substrato, quindi un amminoacido molto disponibile ha maggiori probabilità di essere incontrato e reclutato

Perché gli amminoacidi abbondanti portano sempre le catene laterali più grandi

DOMANDA 3

Perché l'accordo tra le rese di tipo Miller e le abbondanze di Murchison è significativo per l'origine del codice genetico?

Mostra che i dominanti amminoacidi precoci potevano essere generati abioticamente sulla Terra e consegnati dallo spazio, quindi la biologia non è necessaria per spiegare l'inventario

Mostra che i meteoriti hanno consegnato molecole di RNA transfer funzionali

Dimostra che tutti e venti gli amminoacidi moderni erano presenti in quantità uguali

Prova che la vita sulla Terra ha avuto origine sul corpo progenitore di Murchison

DOMANDA 4

Quale affermazione coglie meglio la relazione logica tra l'abbondanza primordiale degli amminoacidi e l'ordine di assegnazione dei codoni?

Solo gli amminoacidi assenti dagli estratti di Murchison hanno ricevuto codoni precoci

L'abbondanza vincola il gruppo di candidati ma di per sé non determina l'ordine dei codoni

L'ordine dei codoni è stato assegnato arbitrariamente, quindi l'abbondanza è del tutto irrilevante

L'abbondanza fissa esattamente l'ordine dei codoni, perché la graduatoria di abbondanza e quella dei codoni sono la stessa cosa

DOMANDA 5

Un amminoacido è raro sia nelle miscele di tipo Miller sia negli estratti di Murchison, eppure è centrale nel metabolismo moderno e richiede una lunga via catalizzata da enzimi. Qual è l'inferenza più difendibile?

La sua presenza nelle cellule moderne è puramente un artefatto di laboratorio

Deve essere stato il primo amminoacido incorporato nel codice

Probabilmente è stato reclutato più tardi, dopo che si erano evolute le vie biosintetiche

Era abbondante sulla Terra primitiva ma è stato distrutto dagli impatti meteoritici

Caso di studio: scegliere i substrati candidati per un sistema di traduzione precoce

Leggi lo scenario seguente e rispondi alle due domande.

Un gruppo di ricerca sta ricostruendo un plausibile apparato di traduzione primordiale e deve selezionare un insieme di substrati. L'Insieme A contiene glicina, alanina, acido aspartico e valina. L'Insieme B contiene triptofano, fenilalanina, istidina e arginina. Un collaboratore sostiene l'Insieme B perché quegli amminoacidi hanno catene laterali più grandi e quindi 'fanno più chimica'. I nuovi dati di scarica elettrica del gruppo e un estratto di meteorite di tipo Murchison mostrano entrambi che l'Insieme A domina in ciascun campione, mentre i membri dell'Insieme B compaiono solo in tracce. Il gruppo deve giustificare la propria scelta e dichiarare chiaramente cosa l'evidenza può e non può concludere riguardo al successivo ordine di assegnazione dei codoni.

1. Quale insieme di substrati dovrebbe scegliere il gruppo, e quali due linee di evidenza indipendenti sostengono tale scelta?

Risposta:
Il gruppo dovrebbe scegliere l'Insieme A: glicina, alanina, acido aspartico e valina. Due linee di evidenza indipendenti lo sostengono. In primo luogo, la sintesi prebiotica di tipo Miller (scarica elettrica su miscele gassose ridotte) produce esattamente questi quattro amminoacidi come prodotti dominanti, con glicina e alanina ai livelli più alti e acido aspartico e valina a seguire. In secondo luogo, gli estratti del meteorite di Murchison sono dominati dagli stessi quattro amminoacidi. La convergenza di una via di sintesi abiotica endogena e di una via di consegna esogena mostra che questo inventario non richiede la biologia e rende queste molecole piccole e strutturalmente semplici i substrati più plausibili per un apparato di traduzione limitato dal substrato. L'argomentazione del collaboratore sulle catene laterali più grandi è irrilevante, poiché la dimensione della catena laterale non dice nulla sulla disponibilità prebiotica.

2. Il collaboratore sostiene inoltre che la dominanza dell'Insieme A provi l'esatto ordine di assegnazione dei codoni. Valuta tale affermazione e indica quali ulteriori considerazioni sarebbero necessarie.

Risposta:
L'affermazione esagera l'evidenza. L'abbondanza primordiale vincola il gruppo di candidati: stabilisce una probabilità a priori su quali amminoacidi fossero disponibili per il reclutamento, e un amminoacido scarso sia nella sintesi di laboratorio sia negli estratti meteoritici è un cattivo candidato per un uso precoce. Ma l'abbondanza non determina l'ordine dei codoni. La mappatura dipende anche dalle affinità RNA–amminoacido, dalla chimica codone–anticodone e dalle interazioni di oscillazione (wobble), nonché dalla successiva espansione e riassegnazione del codice. L'ordine di abbondanza glicina > alanina > acido aspartico > valina è coerente con le prime assegnazioni dei codoni nella cornice GC, ma la coerenza non è una prova. Per sostenere un ordine di assegnazione specifico, il gruppo avrebbe bisogno di evidenze indipendenti dall'uso comparativo dei codoni, dagli allineamenti delle sequenze di RNA transfer e da esperimenti diretti di affinità chimica, non dei soli dati di abbondanza.