Appaiamenti di Watson-Crick senza DNA

L'accoppiamento selettivo di coppie di basi azotate scoperto e indicato da Watson e Crick nel 1953 come fenomeno alla base della trasmissione del codice genetico non è esclusivo del DNA, ma avviene spontaneamente anche tra singole basi azotate e potrebbe quindi essere non la causa ma addirittura l’origine della formazione del DNA.

A dimostrarlo uno studio – pubblicato su PNAS – frutto di una ricerca congiunta condotta dal gruppo di Tommaso Bellini, docente di Fisica applicata presso il dipartimento di Biotecnologie mediche e Medicina traslazionale all'Università Statale di Milano, e dal team di Noel Clark dell'Università del Colorado.

L'appaiamento specifico Watson-Crick, per il quale le basi azotate si legano selettivamente – adenine con timine e guanine con citosine (e analoghi appaiamenti nel caso del RNA) – è alla base non solo della trasmissione del codice genetico, ma di innumerevoli metodi diagnostici e terapeutici, di biotecnologie e di nanotecnologie, come della nostra comprensione del mondo vivente e della sua evoluzione.

Fino a ora si era pensato che fosse una proprietà dei filamenti di DNA, nei quali le basi azotate sono chimicamente concatenate, ma non è così: l'appaiamento Watson-Crick è una proprietà che precede il DNA, è una proprietà delle singole basi azotate. 

Nello studio appena apparso su PNAS, invece, si mostra che singole basi azotate si associano spontaneamente in colonne di coppie analoghe alle celeberrime doppia eliche del DNA, seppur completamente disconnesse chimicamente.

Questa ricerca, che sarà oggetto di uno speciale "commentary" del comitato editoriale di PNAS, combina osservazioni in microscopia polarizzata e mediante diffrazione di raggi X, e mostra che se si disciolgono in acqua singole basi azotate con terminazione trifosfato (ATP, TTP, CTP, GTP), queste si auto-assemblano in colonne di coppie di basi, ma solo se viene rispettata la regola selettiva di Watson-Crick. Ad esempio, soluzioni di ATP o miscele di TTP e CTP rimangono disordinate, ma miscele di ATP e TTP formano strutture altamente flessibili, della classe dei cristalli liquidi, nelle quali sono incolonnate a coppie ATP-TTP. Se poi nella miscela uno dei due componenti è più concentrato dell'altro, il sistema forma ancora queste strutture colonnari analoghe alle doppie eliche, espellendo la parte in eccesso mediante una transizione di fase.

Il fatto che l'appaiamento selettivo Watson-Crick esista anche per molecole piccole, come le singole basi azotate, è un'ulteriore prova di una ipotesi sull'origine della vita che la collaborazione Bellini-Clark sta verificando da un decennio.

Se l'impilamento di coppie di basi azotate si forma spontaneamente, e non è quindi l'effetto del loro legame chimico, ne può essere però la causa! Uno dei principali misteri attorno all'origine della vita è come possano essersi formati i primi biopolimeri, che sembrano richiedere una complessità e una selettività impossibili da imputare alla sola formazione di legami chimici casuali. Il formarsi spontaneo di colonne di coppie di basi tra loro chimicamente indipendenti, in cui queste piccole molecole vengono tenute insieme da forze fisiche, può avere favorito e guidato il formarsi di legami chimici che hanno trasformato queste colonne in vere e proprie doppie eliche di DNA o di RNA, le prime a comparire sul nostro pianeta.

Del team guidato dal professor Bellini hanno fatto parte Tommaso Fraccia, ricercatore di Fisica applicata presso la Università Telematica San Raffaele, e Marco Todisco e Giuliano Zanchetta, rispettivamente dottorando in Biologia e ricercatore di Fisica applicata in Statale.