Il nostro DNA scritto nelle stelle

Il nostro DNA scritto nelle stelle

24 Dicembre 2018 0 Di Roberto Parisi

L’azoto nel nostro DNA, il calcio nei nostri denti, il ferro nel nostro sangue, il carbonio nelle nostre torte di mele sono stati creati all’interno di stelle collassate.

Siamo fatti di materia stellare.

Carl Sagan

L’informazione fondamentale della cellula risiede principalmente nel DNA, il materiale genetico depositario di tutti gli elementi necessari per la traduzione delle macromolecole biologiche.
La sua struttura tridimensionale, come è noto ai più, è basata su una doppia elica destrogira stabilizzata da interazioni intermolecolari quali legami N-idrogeno tra le basi azotate e π-π stacking tra gli anelli aromatici delle stesse. Un singolo filamento polinucleotidico è dato da ripetuti processi di esterificazione tra gruppi fosfato e deossiribosio di nucleotidi successivi. Mediante legami glicosidici sono invece legate le basi azotate allo zucchero precedentemente citato.

DNA

La figura illustra la struttura primaria del DNA, ossia lo scheletro di base che costituisce ciascuno dei due filamenti polinucleotidici che si avvolgeranno a formare la doppia elica. Sull’estremità sinistra vi sono i gruppi fosfato, i quali, carichi negativamente, instaureranno rapporti con proteine (es. condensine e istoni) cariche positivamente durante le fasi di compattamento. Al centro, mantenendo integra la struttura, vi è lo zucchero ciclizzato deossiribosio. Infine, sul lato destro, troviamo le basi azotate che si metteranno in comunicazione con quelle presenti sul filamento complementare ed antiparallelo.

Il deossiribosio: carboidrato speciale su cui si basa la vita

Il deossiribosio è un aldopentoso, ossia un monosaccaride che contiene cinque atomi di carbonio nonché un gruppo funzionale aldeidico nella sua struttura lineare.

Deossiribosio

La figura rappresenta una formula di Haworth relativa al deossiribosio ciclizzato. L’ossigeno che si trova nell’anello è dovuto ad una reazione emiacetalica durante il processo di ciclizzazione della molecola. Viene inoltre segnalato un idrogeno in rosso siccome è quello che differenzia il deossiribosio dal ribosio (su cui è basato invece l’RNA).
Formalmente questo composto è detto 2-deossiribosio.
Il carbonio immediatamente sottostante l’ossigeno sulla destra della molecola è contrassegnato come 1 e la numerazione procede in senso orario. Il C-1 si lega grazie al suo gruppo ossidrile ad una base azotata (per il DNA adenina, guanina, citosina o timina). Il C-5 invece svolge un legame fosfoestereo con il gruppo fosfato inorganico, completando la formazione di un singolo nucleotide.

Essenzialmente, il deossiribosio è soltanto un ribosio (a cinque atomi di C) privato di un gruppo ossidrilico (-OH) e dotato al suo posto di un idrogeno H.
Lo zucchero che troviamo nel DNA è importantissimo anche in molti altri processi fisiologici della cellula quali il metabolismo energetico. Quando il flusso di elettroni attraverso i complessi della catena respiratoria mitocondriale genera un gradiente elettrochimico di idrogenioni tra lo spazio intermembrana e la matrice del mitocondrio, mediante il complesso meccanismo della pompa di tipo F ATP sintasi, si viene a produrre questo particolare nucleotide. L’ATP, così come il GTP, rappresenta la molecola trasportatrice di energia potenziale chimica nelle cellule ed è pertanto indispensabile per lo svolgimento delle più basilari attività di ogni organismo vivente.

Il deossiribosio potrebbe provenire dallo spazio

Nel 2016, un team di ricercatori francesi aveva scoperto in laboratorio che nello spazio profondo era possibile trovare tracce di RNA, usato dalle cellule per i processi di sintesi proteica e considerato il precursore ancestrale del DNA.
Il problema teorico che portò a queste indagini sperimentali si pose quando fu palese che l’RNA non avrebbe potuto originarsi sulla Terra nelle condizioni primordiali in cui il pianeta si trovava. Di conseguenza, le prime eliche di tale composto dovevano necessariamente provenire dallo spazio. Le indagini richiesero soprattutto l’impiego di acqua (H2O), metanolo (CH3OH) e ammoniaca (NH3), tutte sostanze molto diffuse nel disco protoplanetario generatosi attorno al Sole all’alba del sistema solare in cui viviamo.
La miscela venne portata in laboratorio alla temperatura criogenica di 80 K (circa -193 °C) per simulare le caratteristiche di meteore ed asteroidi che, scontrandosi con la superficie terrestre, avrebbero potuto rilasciare frammenti di acido nucleico. Questo processo viene detto produzione artificiale di ghiacci cometari ed è un comune protocollo nei laboratori di astronomia ed astrobiologia, nonostante gli strumenti necessari per identificare sostanze quali zuccheri complessi siano stati sviluppati da poco.

spazio
L’immagine rappresenta i principali step di indagine nei laboratori di astronomia e astrobiologia i quali è possibile valutare la formazione di zuccheri complessi come il ribosio sulla superficie e nell’interno delle comete interstellari.
Una miscela iniziale di acqua, metanolo e ammoniaca si aggrega a del pulviscolo spaziale congelando successivamente a causa delle temperature estremamente basse dello spazio profondo. In seguito all’esposizione a raggi ultravioletti derivanti dagli spettri di emissione di molte stelle, avvengono delle reazioni chimiche nella neonata cometa che portano alla formazione di sostanze quali il ribosio.

Un team di astrofisici della NASA’s Ames Research Center (ARC) in California sono stati in grado di creare lo zucchero che costituisce il DNA in laboratorio emulando le condizioni dello spazio interstellare.
I ricercatori sono convinti del fatto che i loro risultati, pubblicati il 18 dicembre sulla rivista scientifica Nature Communications, dimostrino che un altro costituente principale della vita biologica sulla Terra sia largamente diffuso in tutto l’universo e che possa dunque dare origine a nuove forme viventi in altri punti della galassia.
Le vaste regioni fredde e a bassa densità tra le stelle non sono vuote come sembra. Il mezzo interstellare contiene polveri e gas continuamente bombardati da fotoni ad alta energia e particelle. Le reazioni chimiche avvengono, anche se molto lentamente a temperature al di sotto dei -262.2 °C.
La procedura adottata dagli scienziati è stata quella di introdurre in un sistema in cui era stato creato il vuoto un supporto di alluminio raffreddato quasi allo zero assoluto. Successivamente è stata inserita una miscela gassosa di acqua e metanolo. Dopo aver irradiato il sistema con luce ultravioletta (fotolisi astrochimica dei ghiacci) e riscaldato le sostanze al loro interno, i ricercatori hanno esaminato il materiale risultante constatando la presenza di differenti zuccheri tra cui il 2-deossiribosio.

DNA
I tre astrochimici della NASA (Michel Nuevo, Christopher Materese e Scott Sandford) che hanno scoperto la presenza di deossiribosio nei processi di fotolisi di ghiaccio cometario.

L’ipotesi della rarità della Terra: cambieranno i parametri nell’equazione di Drake?

Sebbene molti scienziati famosi come Carl Sagan e Frank Drake supportino il principio di mediocrità per il quale non c’è nulla di speciale nel fatto che la vita si sia sviluppata sulla Terra, l’incapacità dell’uomo nel rintracciare forme di vita extraterrestri sicuramente suscita dubbi a riguardo.
In accordo con i dati sperimentali desunti dalle analisi astronomiche e astrobiologiche degli ultimi decenni viene invece supportata la teoria della rarità della Terra secondo cui è stata davvero una coincidenza di vari fenomeni evoluzionistici a permettere la nascita di forme viventi sul nostro pianeta. Siccome è molto difficile che tale combinazione si verifichi ugualmente a come accaduto sulla Terra, non ci resta che pensare di essere soli nell’Universo.
L’equazione di Drake, sorta nel contesto dell’ottimistica teoria per cui esistano altre forme di vita nello spazio, permetterebbe di calcolare in base a differenti parametri il numero di civiltà intelligenti sparse per la Via Lattea.

L’equazione proposta per la prima volta da Frank Drake. N rappresenta il numero delle civiltà esistenti oggi nella Via Lattea; Ns è il numero di stelle della Via Lattea; Fp è la frazione di stelle con pianeti abitabili; Fl è la frazione di pianeti abitabili con segni di vita; Fi è la frazione di pianeti che possono ospitare forme di vita dove civiltà intelligenti si sono evolute; il rapporto Lc/Ls rappresenta il quoziente tra il tempo di esistenza di una civiltà e quello di una stella (nel nostro caso il Sole).

La scoperta di deossiribosio nelle meteore spaziali potrebbe influire, a favore dei sostenitori del principio di mediocrità, su differenti parametri quali Fl e Fi. Impatti di ammassi rocciosi simil-cometari con le superfici di pianeti abitabili potrebbero portare con sé i fondamenti chimici della vita che conosciamo sulla Terra, aumentando le probabilità che forme viventi come la nostra possano svilupparsi anche ad anni luce di distanza.
Bisogna comunque considerare che attorno all’ipotetica formazione di acidi nucleici ruota un sistema cellulare totalmente regolato: dai processi di condensazione della cromatina che influiscono sull’espressione genica, fino al minimo movimento associato al citoscheletro, all’ultima vescicola rivestita di coatomero, all’ultimo microtubulo del fuso bipolare che, associandosi ai cromosomi in metafase, permette il disassemblaggio del centromero (mediante l’inibizione di Mad20 che permette al complesso APC/C – Cdc20 di attivarsi, ubiquitinando la securina per la successiva attivazione della separasi) per la segregazione del materiale genetico e la sua corretta trasmissione alle cellule figlie.
Gli esempi appena riportati non servono né per sfoggio di cultura, né per intimorire il lettore, ma per invitare ad una riflessione su quanto sia perfetta la vita creatasi sulla Terra.
Qualsiasi entità extraterrestre che si possa sviluppare su un altro pianeta, per giungere alla complicata bellezza dei nostri sistemi biologici, avrà davvero molta strada da fare.

Riferimenti accademici:

  • Alberts, Bruce, Aldo Pagano, Rodolfo Quarto, and Viviana Quarto. 2015. L’essenziale Di Biologia Molecolare Della Cellula. Bologna: Zanichelli.
  • Brown, William H, and Thomas Poon. 2014. Introduzione Alla Chimica Organica. Napoli: Edises.
  • Meinert, C., I. Myrgorodska, P. de Marcellus, T. Buhse, L. Nahon, S. V. Hoffmann, L. L. S. dHendecourt, and U. J. Meierhenrich. 2016. “Ribose And Related Sugars From Ultraviolet Irradiation Of Interstellar Ice Analogs”. Science 352 (6282): 208-212. doi:10.1126/science.aad8137.
  • Nuevo, Michel, George Cooper, and Scott A. Sandford. 2018. “Deoxyribose And Deoxysugar Derivatives From Photoprocessed Astrophysical Ice Analogues And Comparison To Meteorites”. Nature Communications 9 (1). doi:10.1038/s41467-018-07693-x.