Οι χημικοί αναζητούν πιθανό πρόδρομο του RNA
Για τον Νίκολας Χαντ, χημικό στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια, το σημείο καμπής ήρθε τον Ιούλιο του 2012, όταν δύο από τους μαθητές του όρμησαν στο γραφείο του με ένα μικροσκοπικό σωλήνα γέλης. Το περιεχόμενο, που έμοιαζε με μια σταγόνα λεμονιού Jell-O, αντιπροσώπευε τους καρπούς μιας 20χρονης προσπάθειας να κατασκευαστεί κάτι που έμοιαζε με ζωή από την κακοφωνία των χημικών ουσιών που ήταν διαθέσιμα στην πρώιμη Γη.
Σε ορισμένους βιοχημικούς, οι προσπάθειες του Χαντ να βρει έναν εξελικτικό πρόδρομο του ριβονουκλεϊκού οξέος μπορεί να φαινόταν ανόητο έργο. Η κυρίαρχη θεωρία για την εξήγηση της προέλευσης της ζωής - γνωστή ως υπόθεση του κόσμου του RNA - θεωρεί το ριβονουκλεϊκό οξύ ως το πρώτο βιολογικό μόριο. Η γοητεία του προέρχεται από τη διπλή φύση του μορίου. Σε αντίθεση με το DNA, το μόριο που παρέχει το σχέδιο για όλα τα ζωντανά όντα, το RNA δρα τόσο ως φορέας πληροφοριών όσο και ως ένζυμο, καταλύοντας αντιδράσεις. Αυτό σημαίνει ότι το μόριο έχει τη δυνατότητα να αντιγράψει τον εαυτό του και να περάσει τον γενετικό του κώδικα, δύο βασικά συστατικά για τη δαρβινική εξέλιξη.
Εάν το RNA ήταν όντως το πρώτο βιολογικό μόριο, η ανακάλυψη του πώς σχηματίστηκε για πρώτη φορά θα φώτιζε τη γέννηση της ζωής. Τα βασικά δομικά στοιχεία του RNA ήταν διαθέσιμα στην πρεβιοτική Γη, αλλά οι χημικοί, συμπεριλαμβανομένου του Hud, πέρασαν χρόνια προσπαθώντας να τα συναρμολογήσουν σε ένα μόριο RNA με μικρή επιτυχία. Πριν από περίπου 15 χρόνια, ο Hud απογοητεύτηκε με αυτή την αναζήτηση και αποφάσισε να εξερευνήσει μια εναλλακτική ιδέα:Ίσως το πρώτο βιολογικό μόριο δεν ήταν το RNA, αλλά ένας πρόδρομος που είχε παρόμοια χαρακτηριστικά και μπορούσε πιο εύκολα να συναρμολογηθεί από πρεβιοτικά συστατικά. Ίσως το RNA να εξελίχθηκε από αυτό το πιο αρχαίο μόριο, όπως και το DNA από το RNA.
Η ομάδα του Hud άρχισε να εξερευνά αυτήν την ιδέα ρητά πριν από μια δεκαετία. Όταν το πήκτωμα σχηματίστηκε το 2012, μετά από τη δοκιμή δεκάδων χημικών ουσιών, η ομάδα του Hud γνώριζε ότι είχε κάνει σημαντική πρόοδο στη χημεία ενός πιθανού κόσμου πρωτο-RNA. Μετά από χρόνια αποτυχημένων προσπαθειών, μια εκπληκτικά απλή χημική συνταγή είχε δημιουργήσει ένα συγκρότημα μακριών μορίων που μοιάζουν με κορδέλα των οποίων η δομή και τα χημικά συστατικά έμοιαζαν με αυτά του RNA.
Ο Χαντ ζήτησε αμέσως από τους μαθητές να απαγγείλουν το πρωτόκολλο που είχαν χρησιμοποιήσει για την αντίδραση, γράφοντάς το καθώς μιλούσαν. «Ήθελα να είμαι σίγουρος ότι θα θυμόμαστε πάντα πώς είχαν αποκτήσει [το τελικό προϊόν] με μια τόσο απλή διαδικασία», είπε. Τον Δεκέμβριο του 2013, τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο Journal of the American Chemical Society.
«Κατά τη γνώμη μου, τίποτα τέτοιο δεν έχει ξαναδεί», είπε ο Stephen Freeland, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Maryland Baltimore County, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Αν και δεν είναι σίγουρος ότι οι χημικές ουσίες που επέλεξε ο Hud θα καταλήξουν να είναι τα ακριβή συστατικά του πρωτο-RNA, ο Freeland είπε ότι ο Hud "έχει σημειώσει εννοιολογική πρόοδο".
Ο Χαντ δεν είναι ο πρώτος επιστήμονας που εξερευνά μια εναλλακτική χημεία για το RNA. Αλλά η στιβαρότητα της αντίδρασής του είναι μοναδική - τα μόρια φαίνεται να αναζητούν το ένα το άλλο, αντιδρώντας χωρίς πολλή χημική παρενόχληση. Ο Χαντ και άλλοι λένε ότι αυτή η ευκολία δημιουργίας είναι απαραίτητη για τις αντιδράσεις που έχουν λάβει χώρα στο χαοτικό χημικό καζάνι της πρώιμης Γης. «Πριν από αυτό, οι άνθρωποι απλώς δεν επικεντρώνονταν στην πραγματική κατάσταση», είπε ο Freeland. "Χρειαζόμαστε κάτι τόσο ισχυρό που ανεξάρτητα από την κατάσταση, θα εξακολουθεί να συμβαίνει."
Η ομάδα του Hud δοκιμάζει τώρα εάν οι αντιδράσεις της θα λειτουργήσουν σε ένα ακατάστατο μείγμα μορίων πιο ανάλογων με την αρχέγονη σούπα.
Η χημεία του Hud - και η έννοια του πρωτο-RNA γενικά - εξακολουθεί να αντιμετωπίζει εμπόδια. Το μόριο του έχει μια δομή παρόμοια με πολυμερές επαναλαμβανόμενων μονάδων παρόμοια με τα νουκλεϊκά οξέα. Στο RNA και στο DNA, η αλληλουχία αυτών των μονάδων είναι απαραίτητη για τη μεταφορά πληροφοριών, επιτρέποντας σε αυτά τα μόρια να αποθηκεύουν και να μεταδίδουν τον κώδικα της ζωής. Αλλά το μόριο του Hud χρησιμοποιεί μόνο δύο χημικά γράμματα, σε σύγκριση με τα τέσσερα του RNA, και οι επαναλαμβανόμενες μονάδες μπορούν εύκολα να διαχωριστούν. Αυτό σημαίνει ότι δεν έχει το πληροφοριακό περιεχόμενο του RNA, ένα ουσιαστικό χαρακτηριστικό της ζωής.
Οι υποστηρικτές της παραδοσιακής υπόθεσης του κόσμου του RNA λένε ότι η μετακίνηση από έναν πρόδρομο RNA όπως ο Hud's στο ίδιο το RNA εξακολουθεί να αντιπροσωπεύει μια απίστευτη πρόκληση, πιθανώς τόσο τρομακτική όσο η δημιουργία RNA από την αρχή. Εάν αυτά τα μόρια ήταν αρκετά επιτυχημένα για να ξεκινήσουν την προέλευση της ζωής, πού βρίσκονται τώρα;
«Για μένα, η ιδέα του πρωτο-RNA εγείρει περισσότερα ερωτήματα παρά απαντά», είπε ο John Sutherland, χημικός στο MRC Laboratory of Molecular Biology στο Cambridge της Αγγλίας, ο οποίος ωστόσο περιέγραψε το έργο του Hud ως κομψό και καλοδουλεμένο. "Αν είναι πολύ δύσκολο για το RNA να συναρμολογηθεί χημικά, πώς μπορεί μια πρωτόγονη βιολογία να εφεύρει το RNA;"
Από τη σούπα στη δομή
Στο σύγχρονο κύτταρο, το μαγείρεμα ενός μορίου RNA είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που περιλαμβάνει πολλαπλά ένζυμα που συνδέουν ένα σάκχαρο (ριβόζη) με μία από τις τέσσερις νουκλεοβάσεις - χημικά γράμματα που συνθέτουν τον γενετικό κώδικα και έχουν τις γεύσεις γουανίνη, αδενίνη, ουρακίλη και κυτοσίνη — και ένα φωσφορικό άλας, το οποίο παρέχει τη ραχοκοκαλιά της δομής. Ένα άλλο ένζυμο συνδέει επαναλαμβανόμενες μονάδες καθενός από αυτά τα τρία συστατικά στη μακριά αλυσίδα του RNA.
Αλλά στην προβιοτική Γη, δεν υπήρχαν ένζυμα. Πώς θα μπορούσαν λοιπόν να έχουν σχηματιστεί τα πρώτα μόρια RNA; Σύμφωνα με την υπόθεση του κόσμου του RNA, το RNA συνενώθηκε αυθόρμητα μέσω γεωχημικών διεργασιών. Οι επιστήμονες που μελετούν την προέλευση της ζωής πέρασαν τα τελευταία 40 χρόνια προσπαθώντας να καταλάβουν πώς ακριβώς θα μπορούσε να συμβεί αυτό, αναλύοντας τα πιθανά χημικά συστατικά της πρώιμης Γης και επινοώντας χημικές αντιδράσεις για να τα φέρουν μαζί. «Η χημεία της δημιουργίας RNA είναι τόσο δύσκολη που είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι θα μπορούσατε να έχετε μια αντίδραση ενός δοχείου, όπου τα μόρια ενώνονται και δημιουργούν αυθόρμητα αυτό το πολύπλοκο μόριο», είπε ο Χαντ.
Οι επιστήμονες κατάφεραν να παράγουν μερικά από αυτά τα συστατικά χωρίς ένζυμα. Το 2009, ο Σάδερλαντ και οι συνεργάτες του έδειξαν για πρώτη φορά ότι μπορούσαν να συνθέσουν μια από τις βασικές μονάδες του RNA από την αρχή. Υποστηρίζουν ότι το RNA θα μπορούσε να έχει σχηματιστεί με αυτόν τον τρόπο στη φύση, αλλά ο Hud και ο Freeland λένε ότι οι ακριβείς χημικές συνθήκες και τα βήματα που απαιτούνται για την αντίδραση θα ήταν απίθανο να συμβούν στο χαοτικό χημικό καζάνι της πρεβιοτικής Γης.
Μια εναλλακτική υπόθεση είναι ότι το RNA όπως το γνωρίζουμε έχει υποστεί σημαντική χημική και βιολογική εξέλιξη. «Η προέλευση της ζωής και η προέλευση του γενετικού κώδικα δεν είναι πλέον συνώνυμες», δήλωσε ο Antonio Lazcano, βιολόγος στο Εθνικό Αυτόνομο Πανεπιστήμιο του Μεξικού στην Πόλη του Μεξικού και πρώην πρόεδρος της International Society for the Study of the Origin of Life. δεν συμμετείχε στη μελέτη του Χαντ. "Μπορείτε να έχετε ένα σημαντικό μέρος του γενετικού κώδικα που θα είναι το αποτέλεσμα της βιολογικής εξέλιξης και ένα σε μεγάλο βαθμό άγνωστο στάδιο της χημικής εξέλιξης."
Οι επιστήμονες εξετάζουν μόρια με εναλλακτικές βάσεις ή σάκχαρα σχεδόν από τότε που το RNA προτάθηκε ως το πρώτο βιολογικό μόριο στη δεκαετία του 1960. Αλλά αυτή η προσέγγιση δημιουργεί ένα συντριπτικό σύνολο πιθανών μεταθέσεων, καθώς καθένα από τα τρία συστατικά - ζάχαρη, φωσφορικό άλας και βάση - έχει πολλές πιθανές αντικαταστάσεις. «Ο χημικός χώρος γίνεται τεράστιος», είπε ο Χαντ. "Είναι πραγματικά μεγάλο έργο να ανακαλύψεις τι ήρθε πρώτο."
Η ομάδα του Hud ξεκίνησε με τις βάσεις, αναζητώντας υποψηφίους που θα μπορούσαν να σχηματίσουν κάτι σαν τα παραδοσιακά ζεύγη βάσεων RNA και DNA, στα οποία ορισμένες βάσεις αναζητούν η μία την άλλη σαν χαμένοι εραστές. στο RNA, η αδενίνη συνδέεται μόνο με την ουρακίλη και η γουανίνη με την κυτοσίνη. Αυτή η σύζευξη είναι που επιτρέπει τη μοναδική ικανότητα των μορίων να αποθηκεύουν πληροφορίες. Κάθε μόριο λειτουργεί ως πρότυπο για την επόμενη γενιά, δημιουργώντας ένα είδος κατοπτρικής εικόνας του προκατόχου του.
Αλλά ο Hud ήθελε επίσης ζεύγη βάσεων που, σε αντίθεση με τις παραδοσιακές βάσεις, θα μπορούσαν να συναρμολογηθούν αυθόρμητα σε μακρά πολυμερή. «Αν έχετε ένα πολύπλοκο μείγμα χιλιάδων μορίων, η χημεία βασίζεται σε αυτό που αντιδρά πιο γρήγορα», είπε ο Χαντ. "Τα μόρια πρέπει να οργανωθούν."
Αντί να περιοριστούν στις τέσσερις βάσεις που χρησιμοποιούνται στο RNA, τα μέλη της ομάδας του Hud θεώρησαν μια βιβλιοθήκη με περίπου 100 δομικά παρόμοια μόρια, συμπεριλαμβανομένων μόνο εκείνων που είχαν προβλεφθεί ότι υπήρχαν στην πρεβιοτική Γη ή σε μετεωρίτες, τα οποία μπορεί να είχαν μαζί τους απαραίτητα συστατικά της ζωής. "Είμαστε ανόητοι αν δεν σκεφτόμαστε αυτό:είτε γιατί η φύση διάλεξε αυτά τα τέσσερα είτε τι έκανε η φύση πριν διαλέξει αυτά τα τέσσερα", είπε ο Freeland.
Μοριακές συνταγές
Για να προσπαθήσει να βρει βάσεις που συνδέονται όπως αυτές του RNA, η ομάδα του Hud άρχισε να αναμειγνύει χημικές ουσίες υπό διάφορες συνθήκες. Μετά από αρκετά χρόνια, οι ερευνητές επισκέφτηκαν μερικούς πολλά υποσχόμενους υποψηφίους, κυρίως δύο μόρια, την τριαμινοπυριμιδίνη (TAP) και το κυανουρικό οξύ (CA). Πέρυσι, σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Journal of the American Chemical Society, οι ερευνητές έδειξαν ότι μια ελαφρώς τροποποιημένη εκδοχή της τριαμινοπυριμιδίνης και του κυανουρικού οξέος αυτοσυγκεντρώνονται στο νερό, δημιουργώντας κάτι που μοιάζει με παραδοσιακά ζεύγη βάσεων. Ωστόσο, αντί για το συμβατικό δίδυμο των ζευγών βάσεων, αδενίνη και ουρακίλη ή κυτοσίνη και γουανίνη, τα μόρια σχηματίζουν εξαμερή ή εξαμελείς δακτυλίους. Τα εξαμερή στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο, σχηματίζοντας μακριές, πολυμερείς δομές. Είχαν βρει ένα χημικό ζεύγος που συναρμολογήθηκε αυθόρμητα σε μια σύνθετη διάταξη που μοιάζει με RNA. «Εκπλαγήκαμε που λειτούργησε τόσο καλά», είπε ο Hud.
Η ομάδα του Hud ξεκίνησε να αντιμετωπίσει το επόμενο πρόβλημα στη συναρμολόγηση του RNA:Πώς συνδέονται οι βάσεις στη ζάχαρη ριβόζης; Στη νεότερη εργασία τους, που δημοσιεύτηκε στο ίδιο περιοδικό, οι ερευνητές έδειξαν ότι το TAP και η ριβόζη συνδέονται εύκολα όταν αναμειγνύονται στο νερό, δημιουργώντας μόρια γνωστά ως νουκλεοσίδια. (Το εύρημα ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικό επειδή αυτός ο δεσμός ήταν δύσκολο να δημιουργηθεί μεταξύ σακχάρων και παραδοσιακών βάσεων RNA.) Όταν οι ερευνητές πρόσθεσαν την άλλη βάση, CA, και θερμάνθηκε το μείγμα, σχηματίστηκε σε μακρά πολυμερή, περίπου στο μήκος των γονιδίων. Αυτά τα πολυμερή είναι που δημιουργούν το τζελ που ενθουσίασε την ομάδα του Hud.
«Πιστεύω ότι είναι ένα σημαντικό βήμα γιατί δείχνει ότι οι φυσικές δυνάμεις που συγκρατούν τα γονιδιώματα σήμερα μπορούν να αναπαραχθούν στον πρωτόκοσμο», δήλωσε ο Frank Schmidt, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Missouri στην Κολούμπια που δεν συμμετείχε στις μελέτες. "Έχει δείξει ότι μπορείτε να ξεκινήσετε με αστρικά υλικά [χημικές ουσίες που παρήχθησαν αρχικά από αστέρια] και να αποκτήσετε κάτι με μερικές από τις θεμελιώδεις ιδιότητες του RNA."
Η ομορφιά της χημείας του Hud είναι ότι η συναρμολόγηση δεν απαιτεί ένζυμο ή πρότυπο — τα μόρια ενώνονται από μόνα τους.
Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ του πολυμερούς Hud και του RNA. «Αυτές οι υπέροχες ιδιότητες έχουν το τίμημα να κάνουμε ένα βήμα μακριά από τη χημεία που όλοι γνωρίζουμε», είπε ο Μάικλ Γιαρούς, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Μπόλντερ, ο οποίος δεν συμμετείχε στις μελέτες. Για παράδειγμα, σε αντίθεση με το RNA, κάθε μόριο στη στοίβα συνδέεται με ένα σχετικά αδύναμο είδος δεσμού γνωστό ως μη ομοιοπολικός δεσμός. Όπως ένα σύνολο μαγνητικών σφαιριδίων που μπορούν να σπάσουν και να επανασυνδεθούν, η δομή μπορεί να διαχωριστεί πιο εύκολα από το RNA, το οποίο μοιάζει περισσότερο με σφαιρίδια που δένονται σε μια χορδή. Αυτή η εύκαμπτη δομή μειώνει τη δυνατότητα του πολυμερούς να αποθηκεύει αξιόπιστα πληροφορίες στην αλληλουχία των βάσεων, η οποία συνθέτει τον κώδικα ζωής.
Άλλα μεγάλα ερωτήματα περιλαμβάνουν γιατί και πώς αυτά τα μόρια θα μπορούσαν να έχουν εξελιχθεί σε σύγχρονα RNA, λαμβάνοντας υπόψη ότι μπορεί να ήταν ευκολότερο για το πρόδρομο μόριο να διατηρήσει το status quo. Οι υποστηρικτές του παραδοσιακού κόσμου του RNA το βλέπουν ως τεράστιο εμπόδιο, αλλά ο Χαντ διαφωνεί. Το CA μπορεί να μετατραπεί σε ουρακίλη και το TAP σε γουανίνη και αδενίνη με λίγες μόνο χημικές αλλαγές, είπε. Η ομάδα του τώρα εξερευνά άλλες υποψήφιες βάσεις ικανές να σχηματίζουν ζεύγη και να αυτοσυναρμολογούνται με σάκχαρα ριβόζης. Οι ερευνητές εξετάζουν επίσης εναλλακτικές λύσεις για τα άλλα συστατικά του RNA, τα σάκχαρα και τα φωσφορικά άλατα, καθώς και πώς να συρράψουν τους νουκλεοσίτες με τρόπο που μιμείται τη δεμένη χορδή του RNA. Παρόλο που το τελικό αποτέλεσμα μπορεί να φαίνεται αρκετά διαφορετικό από το RNA, ο Hud υποστηρίζει ότι επειδή το RNA είναι το ανώτερο σύστημα, η φυσική επιλογή θα ευνοήσει τη δημιουργία του και θα οδηγήσει τον πρόδρομό του στην εξαφάνιση.
Ακόμη και εκείνοι που δεν είναι πεπεισμένοι για τον κόσμο του πρωτο-RNA λένε ότι αξίζει να εξερευνήσετε τις δυνατότητες. "Είναι σημαντικό να έχουμε πολλές διαδρομές για να βρούμε αυτό που πραγματικά συνέβη, αυτό που είναι πολύ πιθανό", είπε ο Yarus, προσθέτοντας ότι το πόσο μακριά θα ταξιδέψει η χημεία του Hud σε αυτό το μονοπάτι της πιθανότητας δεν είναι ακόμη σαφές.
Άλλοι εξετάζουν ένα ακόμη ευρύτερο σύνολο χημικών εναλλακτικών λύσεων. Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον Νοέμβριο του 2013, ο Freeland και ο συνεργάτης του Jim Cleaves, χημικός στο Earth-Life Science Institute στο Τόκιο, χρησιμοποίησαν υπολογιστικές μεθόδους για να εξετάσουν εναλλακτικά αμινοξέα, τα οποία είναι τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών. Η ομάδα σχεδιάζει να κάνει το ίδιο για τα δομικά στοιχεία του RNA. «Η λίστα του Hud είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου», είπε ο Freeland. "Θα μπορούσαν να υπάρξουν δεκάδες χιλιάδες δομές που πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη."
