1. Ipotesi sull’Origine della Vita sulla Terra
Enzo Gallori
Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Firenze

2. Che cos'è la Vita?

3. Erwin Schrödinger
“What is Life ?”, 1944

4. DNA
PROTEINS

5. Il Principio Centrale della Biologia
DNA
Replicazione
RNA
Trascrizione
Proteine
Traduzione
Genotipo
Fenotipo

7. La presenza di un sistema genetico è assolutamente essenziale.
Definizione di Vita della NASA:
“Life is a system able to self-maintain + self-replicate, and capable of undergoing Darwinian evolution”
La presenza di un sistema genetico è assolutamente essenziale.

8. Gli Acidi Nucleici (DNA, RNA) come sedi dell’informazione biologica
“significato biologico” A G T C
DNA
A = T
G C

9. Il Paradosso dell’Uovo e della Gallina

10. T. Cech & R. Altman (’80) F.Crick, L. Orgel, C. Woese (1968)
RNA
ancestrale
F.Crick, L. Orgel, C. Woese (1968)
T. Cech & R. Altman (’80)
Ribozimi: Molecole di RNA con attività catalitica

11. W. Gilbert (1986): “RNA World”

12. Il ruolo dell’RNA nei processi biologici
“The Colossal Enzyme”
T.A. Steitz
Ribozimi naturali.
Materiale ereditario di molti virus.
Coinvolgimento nel funzionamento del Ribosoma (sintesi proteica).

13. Struttura del Ribosoma

14. Evoluzione della struttura del 23S rRNA Bokov & Steinberg (2009), Nature, 457

15. La transizione dall’ RNA World al DNA World

16. L’evoluzione molecolare
Formazione della terra
4.5
Chimica Prebiotica
4.0
Prime forme di vita (DNA / proteine)?
3.5
Diversificazione della vita
3.0
La comparsa di un polimero simile agli Acidi Nucleici capace di evolvere attraverso i processi della Replicazione, Mutazione, e Selezione naturale segna lo “spartiacque” fra la chimica prebiotica e “l’inizio della vita”.

17. dell’Origine della Vita viene a coincidere con
Il problema
dell’Origine della Vita
viene a coincidere con
l’origine di un sistema genetico,
capace di trasmettere l’informazione e di replicare un programma in continua evoluzione

18. How
and
Where ?

19. “Building code” Sintesi ed accumulo dei precursori (nucleotidi)
Polimerizzazione dei monomeri
(Acidi Nucleici)
Protezione - Persistenza
Espressione della “potenzialità biologica” delle molecole informative

20. Formazione degli
Elementi
BIG BANG
H C O N P S
Elementi Biogenici
Molecole
Biologiche
VITA

21. “Proiskhozhdenie zhizny” (“L’Origine della Vita”) 1924
Alexander I. Oparin
“Proiskhozhdenie zhizny” (“L’Origine della Vita”) 1924

22. Terra Primordiale

23. “L’Atmosfera Primitiva”
Idrogeno H2
Ammoniaca NH3
Metano CH4
Anidride Carbonica CO2
Azoto N2
Vapor d’Acqua H2O
Mancanza di Ossigeno Molecolare O2
Quindi mancanza della fascia d’Ozono

24. Chimica Prebiotica Gas presenti nell’atmosfera primordiale +
Energia (Calore, radiazioni)
Precursori delle molecole biologiche
Pioggia → Oceani primordiali

25. Ipotesi di Oparin-Haldane (~ 1930)
“Brodo Caldo Diluito”

26. Stanley Miller (1953)

27. Polimerizzazione dei precursori
In soluzione acquosa (oceano primordiale) non si ha polimerizzazione bensì idrolisi!

28. suitable environments
Looking for
alternative
suitable environments

29. The Mineral Environment

30. Vita nei fondali oceanici

31. “Lost City”

32. The “Clay Honeycomb”
“. . . Le argille o altri minerali furono necessari per:
1) Concentrare i prodotti presenti nel brodo caldo primordiale;
2) Proteggere questi prodotti dalla distruzione dovuta a raggi U.V.;
3) Catalizzare la polimerizzazione di questi composti fino ad ottenere molecole più complesse ”
J.D. Bernal (1951)

33. Synthesis of building blocks
Formation of sugar-phosphates in the presence of mineral particles, Pitsch et al., OLEB (1995)
Stabilization of ribose in the presence of borate minerals, Ricardo et al., Science (2004)
Synthesis of Nucleobases by Formamide in the Presence of Montmorillonite, Saladino et al., ChemBioChem (2004)

34. Polymerization of precursors
Clay minerals catalyze the formation of oligonucleotides
up to 50-mer long
Ertem and Ferris Nature (1996); Ferris et al. Nature (1996)
Ertem (2004) T G C C C T A

35. PANSPERMIA

37. Molecole nello Spazio

38. Zucchero nel centro della Galassia Trovata a 26 mila anni luce da noi la glicolaldeide (Novembre 2008)
La glicolaldeide è la
molecola di partenza
per ottenere il ribosio,
lo zucchero presente
nella molecola dell’RNA

39. Comete

40. Asteroidi

42. Meteorite di Murchison Condrite carbonacea (4.6 109 anni)
Analisi chimica:
Aminoacidi
Acidi carbossilici
Basi nucleotidiche
Composti organici fosforati
Composti organici solforati
Polioli (zuccheri)

43. OGNI ANNO >10.000 TONNELLATE GIUNGONO SULLA TERRA !
Polvere Spaziale
OGNI ANNO > TONNELLATE GIUNGONO SULLA TERRA !

44. Adsorbed molecules on dust particles could be protected against degradation due to radiation or high temperature

45. Building Code
Sintesi dei precursori (nucleotidi) e loro polimerizzazione;
Persistenza / protezione dei polimeri nascenti in un ambiente in continuo cambiamento;
Espressione della “potenzialità biologica” dei polimeri informazionali originatisi.

46. Protection from Degradation Fate of DNA in Soil Environment
Excretion
Lysis
Extracellular
DNA
Degradation
Persistence
Adsorption on soil particles
(clay minerals)

47. Studi sul “Fate” del DNA nell’ambiente mostrano che
Il DNA adsorbito alle particelle di argilla,
non solo persiste per tempi lunghissimi nell’ambiente,
ma mantiene pure le sue
“caratteristiche” biologiche.
(Gallori et al., 1994; Stotzky and Gallori, 1996; Vettori et al., 1996, 2000)

48. Nucleic Acid-Clay Complexes
RNA
DNA
Clay minerals:
RNA-Clay
Complexes
DNA-Clay
Complexes

49. Electron Microscopy (T.E.M.)
K-Chromosomal DNA
(X 154,000)
K-Plasmid DNA
(X 271,500)
Franchi and Gallori, 2004; Gallori et al., 2006

50. Franchi and Gallori, 2004; Gallori et al., 2006
FT-IR Analysis of Clay-Nucleic Acid complexes
B-Form
A-Form
Da modificare
Franchi and Gallori, 2004; Gallori et al., 2006

51. Protective capabilities of clay minerals (DNA)
Protection from physical agent: UV and X-ray radiation
U.V. radiation
DNA adsorbed on clay minerals is protected from both UV and X-ray radiation
Ciaravella et al., 2004; Scappini et al., 2004

52. Building code
Synthesis and accumulation of precursors (i.e. nucleotides)
Joining of precursors into larger molecules (i.e. DNA, RNA)
Protection of molecules from degradation
Expression of “biological”potentiality of the informational molecule

53. Franchi & Gallori, 2005; Biondi et al., 2007; Biondi et al., 2007
Molecole di RNA con attività catalitica (Ribozimi) adsorbite alle particelle di argilla sono ancora “biologicamente” attive?
Portare a termine specifiche reazioni (self-cleavage, self-splicing, ecc.)
Di resistere all’azione di vari agenti degradativi (raggi UV, ecc.)
Franchi & Gallori, 2005; Biondi et al., 2007; Biondi et al., 2007

54. Phosphate (from apatite)
N-Base
Ribose

55. RADIATION
Interaction
Protection
Evolution

57. Giove e le sue Lune

58. EUROPA
I solchi visibili sulla superficie di Europa potrebbero indicare la presenza acqua allo stato liquido al di sotto della calotta esterna ghiacciata

59. Chi fa esperienze accresce il sapere; chi è credulo aumenta l’errore
Proverbio Arabo

60. Confutazione della Generatio aequivoca (1668)
Francesco Redi
Confutazione della Generatio aequivoca (1668)