Come è iniziata la vita sulla Terra? Su un pianeta giovane e roccioso, come possono essersi combinate le sostanze chimiche nel modo giusto per formare le prime cellule? Come hanno fatto quelle cellule primitive a iniziare a comportarsi come la vita: crescendo, dividendosi e trasmettendo caratteristiche vantaggiose alla generazione successiva?
Le origini della vita sono particolarmente oscure perché il record geologico – gli strati di roccia e i fossili incorporati che contengono indizi sulla storia della Terra e della vita – scompare a circa 3,9 miliardi di anni fa, cancellato dai movimenti della crosta del pianeta. Di conseguenza, gli scienziati non hanno prove dirette delle condizioni della Terra primordiale, compresa la prova delle molecole che potrebbero aver vorticato negli stagni primordiali e formato i mattoni della vita.
Questo presenta una serie di domande, proprio il tipo di grandi domande da cui Jack Szostak è attratto. Lui e altri credono di poter ricostruire in laboratorio il lungo percorso che ha portato dalle sostanze chimiche nello spazio, alla formazione della Terra, alla chimica pre-vita sul pianeta, alle prime protocellule, e infine alle cellule avanzate con metabolismo e sintesi proteica. Esplorazioni tentacolari come queste richiedono competenze in molti campi, tra cui chimica e biochimica, geologia e geofisica, e astronomia.
Szostak (pronunciato shah-stak) potrebbe essere la persona ideale per cercare risposte. Premio Nobel, professore di genetica alla Harvard Medical School, professore di chimica e biologia chimica nella Facoltà di Arti e Scienze, Rich Distinguished Investigator al Massachusetts General Hospital (MGH) e ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute, viene descritto dagli altri come uno scienziato brillante e motivato. Ma è anche noto per la sua umiltà mite, compresa la volontà di immergersi profondamente in argomenti che sono nuovi per lui, e per la sua collegialità, per contribuire a promuovere la condivisione di idee che sta facendo progredire la scienza.
La sua ricerca si concentra su un segmento del percorso della vita: la protocellula, “una cellula primordiale molto, molto semplice che potrebbe assemblarsi da sostanze chimiche che erano in giro all’inizio, sulla superficie della Terra”, spiega Szostak. Spera di capire come sarebbe cresciuta e si sarebbe divisa e avrebbe iniziato a replicarsi, e alla fine si sarebbe evoluta. “Potremmo non sapere cosa è successo realmente, ma forse possiamo elaborare diversi percorsi possibili”, dice. “
“Evoluzione diretta”
Questo agosto ha segnato il quarantesimo anno di Szostak ad Harvard e il trentacinquesimo al MGH (dove si trova il suo laboratorio), un mandato segnato da importanti scoperte in una sorprendente varietà di campi. Negli anni ’80, il suo laboratorio ha condotto esperimenti con il lievito per capire la genetica e la biochimica della ricombinazione del DNA-lavoro che ha portato al modello di riparazione a doppio filamento, che descrive come i lunghi filamenti di DNA si rompono, scambiano i segmenti e poi si ricongiungono. Questo ha spinto la ricerca successiva sul meccanismo di ricombinazione durante la meiosi, la divisione cellulare che porta alla formazione di spermatozoi e uova.
Durante lo stesso periodo, il suo team ha anche fatto importanti scoperte sui telomeri, i cappucci protettivi, che si trovano alle estremità dei cromosomi, che assicurano che il DNA si replichi correttamente quando le cellule si dividono. Per questa ricerca, Szostak ha poi ricevuto il premio Nobel 2009 per la fisiologia o la medicina, che ha condiviso con i ricercatori Elizabeth Blackburn, Sc.D. ’06, ora emerita alla UC, San Francisco, e Carol Greider della Johns Hopkins.
Quando Szostak ha ricevuto la telefonata di prima mattina dalla Svezia nell’ottobre 2009, aveva già passato più di 20 anni a dare contributi fondamentali in altre aree della scienza. Dopo le scoperte sui telomeri a metà degli anni ’80 (la ricerca ha collegato i telomeri accorciati a molte malattie dell’invecchiamento), molti scienziati sono entrati nel campo e Szostak ha scelto di cambiare direzione. “Era abbastanza chiaro quali dovevano essere i prossimi esperimenti, e sembrava che qualsiasi cosa facessimo sarebbe stata fatta comunque”, ha ricordato. “Non ho mai sentito che c’è molto senso nel fare cose che saranno fatte comunque. Quindi questo mi ha fatto davvero guardare intorno e pensare a quali altri tipi di domande scientifiche avrei potuto iniziare ad affrontare”. Nel 1984 accettò un’offerta di trasferire il suo laboratorio da quello che allora era il Sidney Farber Cancer Institute al MGH, per unirsi ai ricercatori che lì lavoravano sulla scienza di base. “Era un’offerta incredibile: tutta la mia ricerca sarebbe stata completamente finanziata per 10 anni”, ricorda Szostak. “
Timeline basata su un grafico simile di Gerald Joyce
Dopo aver considerato le sue opzioni, si stabilì sugli enzimi RNA conosciuti come ribozimi, un campo che vide come “interessante, trattabile e non altamente competitivo”. Lui e i suoi studenti laureati hanno iniziato a sviluppare strumenti per far evolvere l’RNA, le molecole a singolo filamento nelle cellule che copiano le informazioni genetiche contenute nel DNA. In provetta il suo team ha spinto l’RNA ad assumere nuovi ruoli, come riconoscere le molecole bersaglio e catalizzare le reazioni. Conosciuto come “evoluzione diretta”, questo processo comportava l’introduzione di mutazioni nei filamenti di RNA, cercando varianti che potessero svolgere funzioni utili, e permettendo a queste nuove molecole di riprodursi. Hanno anche fatto un lavoro simile con il DNA, i peptidi e le proteine.
Nel 1994, Szostak ha ricevuto il National Academy of Sciences Award in Biologia Molecolare, insieme al ricercatore Gerald Joyce, ora del Salk Institute for Biological Studies, per aver sviluppato contemporaneamente ma indipendentemente l’evoluzione in vitro dell’RNA. “È una tecnologia per creare molecole che fanno il tuo dovere”, ha spiegato Joyce in un’intervista, descrivendola come simile al modo in cui gli scienziati agricoli allevano le mucche per produrre più latte, o sviluppano colture che resistono alla siccità. “Questa è la versione molecolare di questo. Ed è qualcosa che ora è molto praticato”, aggiunge (vedi “Harnessing Evolution”, gennaio-febbraio 2017, pagina 15), un modo di sviluppare nuove molecole per una serie di usi, compresi i farmaci.
Per Szostak, il lavoro sull’evoluzione diretta ha sollevato nuove domande. “Mi sono sempre più interessato a come l’evoluzione sia iniziata da sola sulla Terra primordiale”, ricorda. “Una cosa è imporre pressioni selettive e fare l’evoluzione darwiniana in laboratorio, dove hai enzimi, studenti e strumenti. Ma in qualche modo l’evoluzione darwiniana è iniziata da sola”. Dato che la capacità di evolversi è una caratteristica chiave della vita, Szostak stava ponendo una delle domande fondamentali della scienza: Come è iniziata la vita?
Le origini: “Tre grandi domande fondamentali”
Il canadese-americano Szostak è nato a Londra, dove suo padre stava studiando per una laurea in ingegneria aeronautica. La famiglia alla fine tornò in Canada, dove vissero a Ottawa e poi a Montreal, e suo padre lavorò per la Canadian Air Force. (Sua madre ha lavorato per molti anni in ruoli amministrativi per una società chimica industriale, e Szostak ha avuto il suo primo lavoro estivo lì da adolescente, testando la solidità del colore nel laboratorio di tintura della società. “Il lavoro era ripetitivo e noioso, ma mi ha dato la mia prima visione di quanto sia importante testare e ritestare i prodotti per l’uso nel mondo reale”, ricorda. A quel tempo era “seriamente interessato” alla scienza, alla matematica e all’ingegneria. Ha conseguito il dottorato in biochimica a 25 anni alla Cornell, e chiama il suo consulente, Ray Wu, un mentore importante: “
Anche se Szostak ha condotto alcune ricerche pratiche e applicate nella sua carriera – una delle aziende che ha lanciato, Ra Pharma, ha scoperto un farmaco per la malattia miastenia gravis che sta per iniziare la fase III degli studi clinici – è più appassionato di scienza di base.
“Questo è un momento eccitante per entrare nelle neuroscienze perché si possono affrontare problemi che non si potevano nemmeno pensare 30 anni fa.”
“Per me ci sono tre grandi domande scientifiche fondamentali che sono super interessanti: l’origine della vita, l’origine dell’universo e l’origine della mente o della coscienza”, offre, seduto nel suo ufficio tranquillo e quasi vuoto nel Mallinckrodt Laboratory su Oxford Street a Cambridge. (L’ufficio è per riunioni occasionali; Szostak lavora principalmente nel suo laboratorio al MGH). Dopo l’origine della vita, l’origine della mente gli interessa di più. Negli anni ’80, quando stava pianificando cosa fare dopo la sua ricerca sui telomeri, ha contemplato il passaggio allo studio delle neuroscienze e ha persino partecipato ai seminari di Harvard sull’argomento. “Era affascinante, ma anche deprimente, perché la tecnologia era così primitiva”, ricorda. Da allora ha osservato con interesse come gli strumenti del campo sono avanzati. “Questo è un momento eccitante per i giovani per entrare nelle neuroscienze, perché con tutta la nuova tecnologia, ci sono problemi che possono essere affrontati ora che non si poteva nemmeno pensare 30 anni fa”, dice. “Eppure il problema generale è ancora così enorme e in qualche modo scoraggiante. Per come la vedo io, sto lavorando sul più facile di questi grandi problemi”. Poiché le domande sulle origini della vita si adattano bene alle attuali tecnologie di ricerca, aggiunge, pensa che sia “un problema risolvibile”.
Protocelle modello e RNA “disordinato”
Il team di Szostak ha realizzato protocellule modello dai primi anni 2000, cercando di capire come potrebbero essersi assemblate ed evolute in origine. Queste strutture primitive erano “estremamente semplici” in confronto al più semplice batterio unicellulare sulla Terra oggi, spiega. Le protocellule probabilmente includevano una membrana grassa minima e inizialmente un solo gene che conferiva qualche vantaggio alla cellula. I batteri moderni, al contrario, “hanno almeno centinaia e tipicamente migliaia di geni.”
Nonostante alcune teorie che la vita precoce sia nata vicino a bocche idrotermali nell’oceano profondo, Szostak è più convinto dalla ricerca che mostra che le prime cellule si sono sviluppate sulla terraferma in stagni o piscine, forse in regioni vulcanicamente attive. La luce ultravioletta e i fulmini potrebbero aver aiutato a convertire le molecole dell’atmosfera in cianuro e altri materiali utili per generare i mattoni della vita. L’acqua poco profonda darebbe a questi materiali un posto per accumularsi ad alte concentrazioni, e l’attività vulcanica potrebbe creare fluttuazioni di temperatura calda e fredda utili per certe reazioni chimiche.
Una storia della Terra e degli inizi della vita
A differenza del DNA a doppio filamento, in cui le basi citosina e timina si accoppiano con guanina e adenina sul filamento opposto, le basi di un singolo filamento elicoidale di RNA in acqua possono formare associazioni con nucleobasi libere (mostrate nell’immagine sopra). Se queste basi fluttuanti si fondono tra loro, viene creata una nuova copia speculare del filamento di RNA, che si separa dall’originale quando l’acqua viene riscaldata. Quando questo nuovo filamento si replica a sua volta, crea una copia speculare di se stesso che corrisponde al filamento originale di RNA. A volte si verificano errori in questo processo di copiatura, e gli errori benefici si perpetuano. Ogni catena, agendo come modello per la propria replicazione, si evolve così e interagisce con il suo ambiente.
Alcuni scienziati, tra cui Gerald Joyce, suggeriscono che la vita potrebbe essere iniziata al di fuori delle cellule, con molecole fluttuanti che si incontrano e formano legami che permettono loro di agire come la vita. Ma Szostak sostiene che la membrana cellulare era necessaria, in parte perché avrebbe tenuto insieme le molecole genetiche benefiche e impedito ai metaboliti utili prodotti dai ribozimi codificati geneticamente di galleggiare via nell’acqua circostante o di essere afferrati da altre protocellule di passaggio.
Gli esperimenti nel suo laboratorio hanno mostrato come una tale membrana potrebbe crescere e dividersi. I ricercatori hanno combinato acidi grassi come l’acido oleico con acqua e un tampone (per mantenere stabile il pH della soluzione) e poi hanno agitato la soluzione. Visti al microscopio, gli ingredienti si erano assemblati in vescicole: strutture circolari e piene di fluido con membrane a due strati. L’aggiunta di acidi grassi extra all’ambiente – per fungere da nutrienti – ha fatto sì che le vescicole crescessero lunghi filamenti simili a capelli, così fragili che anche un leggero soffio d’aria sul vetrino del microscopio li ha fatti rompere in pezzi. Il team di Szostak ha ottenuto risultati simili con diverse molecole che formano la membrana e in diversi ambienti, suggerendo che questo è un modo plausibile per una membrana di protocellula di crescere e poi dividersi. Ma come potrebbe questa struttura passare il materiale genetico benefico alla prossima generazione di cellule figlie? “È il materiale genetico che in realtà sembra un problema molto più difficile”, dice.
Per condividere i tratti ereditati con le generazioni successive, le cellule di oggi si affidano al DNA, la molecola a doppia elica composta dalle basi nucleari adenina, citosina, guanina e timina, per conservare e trasmettere le informazioni genetiche. Ma replicare il DNA nelle cellule richiede sia la molecola a filamento singolo RNA che gli enzimi proteici, e le proteine codificate geneticamente sono troppo complesse per essersi formate spontaneamente sulla Terra primitiva. Poiché l’RNA può sia immagazzinare e trasmettere informazioni genetiche (come il DNA) sia catalizzare reazioni chimiche (come gli enzimi proteici), molti ricercatori ritengono che le cellule primitive abbiano usato molecole di RNA per svolgere entrambi i ruoli genetici ed enzimatici.
Alla fine degli anni ’60, lo scienziato britannico Leslie Orgel propose che l’RNA, o qualcosa di simile, potesse essere la prima molecola sulla Terra a replicarsi ed evolversi; questa ipotesi divenne nota come “Mondo RNA”. Orgel e altri hanno lavorato per decenni per capire come le catene di RNA potrebbero essersi unite e replicate, ma i loro sforzi non hanno avuto completamente successo. “Ci sono stati molti progressi all’inizio, ma poi si sono bloccati perché c’erano una dozzina di problemi diversi e all’epoca non c’era una risposta ovvia a nessuno di essi”, spiega Szostak. “Quasi tutti si sono sentiti frustrati e hanno pensato: ‘Forse la vita non è iniziata con l’RNA. Forse c’è qualcosa di più semplice, più facile da fare, più facile da replicare”.”
“Ora ne sappiamo molto di più, e solo scomponendo le cose in singoli problemi più piccoli, siamo stati in grado di risolverne alcuni”.”
I ricercatori hanno cercato alternative all’RNA, “e questo ha portato a 10 o 20 anni di chimica davvero interessante, con un sacco di molecole interessanti”, nota Szostak. “Ma finora, non è venuto fuori niente di più semplice o migliore dell’RNA che funzioni davvero”. Alcuni ricercatori sostengono l’ipotesi “metabolismo-primo”, suggerendo che la vita potrebbe essere iniziata senza materiale genetico, attraverso una serie di reazioni autosostenute, ma Szostak e altri rimangono poco convinti. Circa sette anni fa, ha iniziato a rivedere gli ostacoli che Orgel e i suoi contemporanei hanno affrontato nella comprensione della sintesi dell’RNA. “Ora sappiamo molto di più”, spiega, “e solo suddividendo le cose in singoli problemi più piccoli, siamo stati in grado di risolverne alcuni”.
Il laboratorio di Szostak ora si concentra quasi interamente su come l’RNA primordiale potrebbe aver copiato se stesso. L’RNA moderno si compone in modo molto regolare e prevedibile, con blocchi di nucleotidi che scattano insieme come una catena. Ogni blocco contiene uno zucchero (ribosio), un fosfato e una delle quattro nucleobasi (chiamate anche basi azotate): adenina, citosina, guanina e uracile (solitamente chiamate A, C, G e U). Le unità di ribosio-fosfato sono unite per formare la “spina dorsale” dell’RNA. Nelle cellule moderne, gli enzimi proteici catalizzano la reazione che unisce le unità nucleotidiche in catene di RNA.
Un modello di protocellula, la cui membrana lipidica potrebbe aver racchiuso e protetto un singolo gene
Immagine per gentile concessione del Szostak Laboratory
Nelle protocellule della Terra primitiva, la catena di RNA sarebbe servita come modello su cui una nuova catena complementare di nucleotidi si assemblava prima di staccarsi per diventare un ulteriore modello su cui altri nucleotidi fluttuanti potevano incastrarsi. Ma a differenza del prevedibile RNA moderno, il primo RNA non aveva il beneficio delle proteine per catalizzare il processo di costruzione. (Poiché le proteine non possono formarsi senza il complesso e altamente evoluto macchinario cellulare richiesto per la loro sintesi, la maggior parte dei ricercatori ritiene improbabile la loro esistenza sulla Terra primordiale). Il primo RNA, quindi, era probabilmente più disordinato, con molte più variazioni nella spina dorsale dello zucchero e nelle basi, dice Szostak. Il suo team sta attualmente sperimentando “per avere un’idea di quale variabilità sarebbe stata tollerata e quale sarebbe stata eliminata. Il nostro modello attuale è che si inizia con qualcosa che è disordinato e ha un sacco di variazioni diverse in esso, e nel corso dei cicli di replicazione, si finisce con qualcosa che è più vicino al moderno RNA omogeneo.”
Un documento del 2018 di Szostak e dello studente laureato Seohyun Kim illustra la possibile variabilità del primo RNA, e i suoi elementi costitutivi A, C, G e U. Gli scienziati hanno fatto progressi nella comprensione di come C e U potrebbero essere stati generati da reazioni chimiche prebiotiche, ma hanno lottato con A e G. Szostak e Kim suggeriscono che l’RNA potrebbe aver iniziato con diverse nucleobasi, e i loro esperimenti hanno dimostrato che il nucleoside inosina, che può essere fatto da A (adenina), funziona efficacemente al posto di G (guanosina). “Questo semplifica il problema generale”, spiega Szostak. “Ora abbiamo solo bisogno di sapere come fare A.”
Altri recenti esperimenti in laboratorio si sono concentrati sugli ioni metallici necessari per avviare il processo di copia dell’RNA. I ricercatori usano tipicamente il magnesio, “ma dobbiamo usarlo a concentrazioni molto alte”, che ha effetti collaterali negativi, innescando la degradazione dell’RNA o la distruzione della membrana cellulare. “Speriamo di trovare qualche modo semplice e plausibile per far funzionare tutto con meno magnesio, o forse dobbiamo ripensare l’intero problema e arrivarci da una direzione diversa”, spiega Szostak. “
Il riscaldamento e il raffreddamento attribuibili al vulcanismo, come al Grand Prismatic Spring di Yellowstone, avrebbero facilitato la prima evoluzione dell’RNA.
Fotografia di Istock Images
Alcuni percorsi non funzionano, e producono anche errori. Nel 2016, il laboratorio di Szostak ha pubblicato un articolo su Nature Chemistry che mostrava che un peptide avrebbe potuto aiutare l’RNA a replicarsi senza enzimi. Poco dopo, la ricercatrice Tivoli Olsen si è unita al laboratorio e non ha potuto riprodurre quei risultati. La sua revisione del documento ha rivelato che il team aveva interpretato male i dati, e Szostak ha ritrattato il documento. “Stiamo lavorando su problemi difficili, e la cosa più difficile nella scienza, come penso abbia detto Feynman, è non prendere in giro se stessi”, dice Szostak. La soluzione potenziale era eccitante, “e penso che ci abbia accecato su quello che stava succedendo”. La “grazia di salvezza”, aggiunge, è che hanno scoperto gli errori da soli, anche se vorrebbe che ciò fosse accaduto “prima che il documento fosse pubblicato invece che dopo. Direi che molte delle nostre idee finiscono per essere sbagliate, ma di solito ce ne rendiamo conto abbastanza rapidamente.”
E’ ottimista sul potenziale delle recenti scoperte in altri laboratori; per esempio, John Sutherland del Medical Research Council (MRC) Laboratory of Molecular Biology a Cambridge, Inghilterra, ha recentemente scoperto una nuova tecnica per attivare i nucleotidi – modificando chimicamente questi blocchi di costruzione per alimentare il processo di replicazione. Sutherland ha condiviso queste scoperte con il laboratorio di Szostak prima che fossero pubblicate, e Szostak dice che stanno esplorando modi per incorporare questa tecnica nei loro esperimenti.
Una volta che il suo team assembla protocellule funzionanti che contengono pezzi di RNA, si aspetta che le informazioni in alcune specifiche sequenze di RNA conferiscano qualche beneficio alla protocellula che la circonda. Per esempio, il lavoro precedente suggerisce che alcune sequenze di RNA potrebbero piegarsi per diventare un ribozima che potrebbe fare lipidi leggermente più avanzati per la membrana cellulare. “Ogni sequenza di RNA che fa qualcosa che aiuta le proprie cellule a sopravvivere o a replicarsi più velocemente inizierà a prendere il controllo della popolazione”, spiega Szostak. “Questo è l’inizio dell’evoluzione darwiniana. E poi torniamo ad essere di nuovo biologi”.
Dopo aver vinto il premio Nobel, Szostak avrebbe potuto lasciare il laboratorio per dedicarsi a viaggi e inviti a parlare, ma “rimane concentrato sulla scienza”, dice Gerald Joyce. “Questo è ciò che ammiro di più in lui”. Alcuni possono vedere la ricerca di base come un lusso intellettuale, ma i suoi professionisti sostengono che tutta la scienza applicata inizia con le scoperte della scienza di base. “Quando Crick e Watson si sedettero e cominciarono a fare modelli di cartone della struttura del DNA, non avevano idea che avrebbero generato un’industria del valore di miliardi di dollari 70 anni dopo”, nota John Sutherland.
Szostak rimane impegnato a lavorare su queste grandi domande, continuando il lavoro di decenni. “Spero di essere in grado di costruire un sistema cellulare in evoluzione prima di andare in pensione”, dice. È ottimista sulle sue possibilità. “Penso che ci stiamo arrivando. Ci sono ancora alcuni problemi difficili, e poi penso che tutto sarà risolto in un paio d’anni”.