Το πρώτο μόριο της ζωής ήταν η πρωτεΐνη, όχι το RNA, προτείνει το νέο μοντέλο

Οι πρωτεΐνες γενικά έχουν πάρει τη δεύτερη θέση στα μόρια RNA στις εικασίες των επιστημόνων για το πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη. Ωστόσο, ένα νέο υπολογιστικό μοντέλο που περιγράφει πώς τα πρώιμα βιοπολυμερή θα μπορούσαν να έχουν αναπτυχθεί αρκετά ώστε να διπλωθούν σε χρήσιμα σχήματα μπορεί να το αλλάξει αυτό. Εάν επιμείνει, το μοντέλο, το οποίο τώρα καθοδηγεί εργαστηριακά πειράματα για επιβεβαίωση, θα μπορούσε να αποκαταστήσει τη φήμη των πρωτεϊνών ως το αρχικό αυτοαναπαραγόμενο βιομόριο.

Για τους επιστήμονες που μελετούν την προέλευση της ζωής, ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα σχετικά με το κοτόπουλο ή το αυγό είναι:Ποια ήρθε πρώτη — πρωτεΐνες ή νουκλεϊκά οξέα όπως το DNA και το RNA; Πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια περίπου, βασικά χημικά δομικά στοιχεία δημιούργησαν μακρύτερα πολυμερή που είχαν την ικανότητα να αυτοαναπαράγονται και να εκτελούν λειτουργίες απαραίτητες για τη ζωή:δηλαδή, αποθήκευση πληροφοριών και καταλύοντας χημικές αντιδράσεις. Για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας της ζωής, τα νουκλεϊκά οξέα έχουν χειριστεί την πρώτη δουλειά και οι πρωτεΐνες τη δεύτερη. Ωστόσο, το DNA και το RNA φέρουν τις οδηγίες για την παραγωγή πρωτεϊνών και οι πρωτεΐνες εξάγουν και αντιγράφουν αυτές τις οδηγίες ως DNA ή RNA. Ποιος θα μπορούσε αρχικά να χειριστεί και τις δύο εργασίες μόνος του;

Για δεκαετίες, ο προτιμώμενος υποψήφιος ήταν το RNA — ιδιαίτερα από την ανακάλυψη στη δεκαετία του 1980 ότι το RNA μπορεί επίσης να αναδιπλωθεί και να καταλύσει αντιδράσεις, όπως κάνουν οι πρωτεΐνες. Αργότερα θεωρητικά και πειραματικά στοιχεία ενίσχυσαν περαιτέρω την υπόθεση του «κόσμου RNA» ότι η ζωή αναδύθηκε από το RNA που θα μπορούσε να καταλύσει το σχηματισμό περισσότερου RNA.

Αλλά το RNA είναι επίσης απίστευτα πολύπλοκο και ευαίσθητο, και ορισμένοι ειδικοί είναι δύσπιστοι ότι θα μπορούσε να έχει προκύψει αυθόρμητα κάτω από τις σκληρές συνθήκες του πρεβιοτικού κόσμου. Επιπλέον, τόσο τα μόρια RNA όσο και οι πρωτεΐνες πρέπει να έχουν τη μορφή μακριών, διπλωμένων αλυσίδων για να κάνουν την καταλυτική τους εργασία και το πρώιμο περιβάλλον φαινομενικά θα εμπόδιζε τις σειρές είτε νουκλεϊκών οξέων είτε αμινοξέων να μακραίνουν αρκετά.

Ο Ken Dill και η Elizaveta Guseva του Πανεπιστημίου Stony Brook στη Νέα Υόρκη, μαζί με τον Ronald Zuckermann του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια, παρουσίασαν μια πιθανή λύση στο αίνιγμα στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS ) αυτό το καλοκαίρι. Όπως πηγαίνουν τα μοντέλα, το δικό τους είναι πολύ απλό. Ο Dill το ανέπτυξε το 1985 για να βοηθήσει στην αντιμετώπιση του «προβλήματος της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών», το οποίο αφορά τον τρόπο με τον οποίο η αλληλουχία αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη υπαγορεύει τη διπλωμένη δομή της. Το μοντέλο αναδίπλωσης πρωτεΐνης υδρόφοβης-πολικής (HP) αντιμετωπίζει τα 20 αμινοξέα ως μόνο δύο τύπους υπομονάδων, τους οποίους παρομοίασε με χάντρες διαφορετικού χρώματος σε ένα κολιέ:μπλε, χάντρες που αγαπούν το νερό (πολικά μονομερή) και κόκκινες, που μισούν το νερό αυτά (μη πολικά μονομερή). Το μοντέλο μπορεί να διπλώσει μια αλυσίδα από αυτές τις χάντρες με διαδοχική σειρά κατά μήκος των κορυφών ενός δισδιάστατου πλέγματος, σαν να τις τοποθετεί σε συνεχόμενα τετράγωνα ενός σκακιέρας. Ποιο τετράγωνο καταλήγει να καταλαμβάνει μια δεδομένη χάντρα εξαρτάται από την τάση των κόκκινων, υδρόφοβων χάντρες να συσσωρεύονται μεταξύ τους, ώστε να αποφεύγουν καλύτερα το νερό.

Ο Dill, ένας βιοφυσικός, χρησιμοποίησε αυτό το είδος υπολογισμού κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1990 για να απαντήσει σε ερωτήσεις σχετικά με τα ενεργειακά τοπία και τις καταστάσεις αναδίπλωσης των πρωτεϊνικών αλληλουχιών. Μόλις πρόσφατα σκέφτηκε να εφαρμόσει το μοντέλο στην πρώιμη Γη - και στη μετάβαση από την πρεβιοτική χημεία στη βιολογία. «Η χημεία δεν εξυπηρετεί τον εαυτό της και η βιολογία είναι», είπε ο Dill. «Ποιοι ήταν οι πρώτοι σπόροι αυτής της αυτοεξυπηρέτησης;»

Η απάντηση, πιστεύει, βρίσκεται στα αναδιπλούμενα πολυμερή, ή foldamers. Με το μοντέλο του, δημιούργησε ένα σύνολο μεταθέσεων υδρόφοβων και πολικών μονομερών:την πλήρη συλλογή όλων των πιθανών κόκκινων και μπλε κολιέ μήκους έως 25 χάντρες. Μόλις το 2,3 τοις εκατό αυτών των αλληλουχιών καταρρέουν σε συμπαγείς δομές αναδιπλώματος. Και μόνο το 12,7 τοις εκατό από αυτά - μόλις το 0,3 τοις εκατό του αρχικού συνόλου - διπλώνουν σε διαμορφώσεις που εκθέτουν ένα υδρόφοβο κομμάτι κόκκινων σφαιριδίων στην επιφάνειά τους.

Αυτό το έμπλαστρο μπορεί να χρησιμεύσει ως ένα ελκυστικό, κολλώδες σημείο προσγείωσης για υδρόφοβα τμήματα ακολουθιών που επιπλέουν. Εάν ένα μόνο κόκκινο σφαιρίδιο και μια αλυσίδα με κόκκινη ουρά προσγειωθούν στο υδρόφοβο έμπλαστρο ταυτόχρονα, η θερμοδυναμική ευνοεί τη σύνδεση των δύο αλληλουχιών μεταξύ τους. Με άλλα λόγια, το έμπλαστρο δρα ως καταλύτης για επιμήκυνση πολυμερών, επιταχύνοντας αυτές τις αντιδράσεις έως και δεκαπλάσιες. Αν και αυτή η αύξηση του ποσοστού είναι μικρή, είπε ο Dill, είναι σημαντική.

Αυτοκαταλυτικό Origami

Τα περισσότερα από αυτά τα επιμήκη πολυμερή απλώς συνεχίζουν το δρόμο τους. Αλλά μερικά καταλήγουν να διπλώνουν, και μερικά έχουν ακόμη και ένα δικό τους υδρόφοβο έμπλαστρο, όπως ακριβώς ο αρχικός καταλύτης. Όταν συμβεί αυτό, τα διπλωμένα μόρια με τα μαξιλαράκια προσγείωσης όχι μόνο συνεχίζουν να σχηματίζουν μακρά πολυμερή σε όλο και μεγαλύτερους αριθμούς, αλλά μπορούν επίσης να καταλήξουν να αποτελούν αυτό που ονομάζεται αυτοκαταλυτικό σύνολο, στο οποίο οι θύλακες είτε άμεσα είτε έμμεσα καταλύουν το σχηματισμό αντιγράφων του εαυτού τους. . Μερικές φορές δύο ή περισσότερα foldamer μπορούν να συμμετάσχουν σε αμοιβαία κατάλυση, ενισχύοντας τις αντιδράσεις που σχηματίζουν το ένα το άλλο. Αν και τέτοια σύνολα είναι σπάνια, ο αριθμός αυτών των μορίων θα αυξανόταν εκθετικά και τελικά θα καταλάμβανε την πρεβιοτική σούπα. «Είναι σαν να ανάβεις ένα σπίρτο και να βάζεις φωτιά στο δάσος», είπε ο Ντιλ.

«Αυτή είναι η όλη μαγεία του», πρόσθεσε, «η ικανότητα ενός μικρού γεγονότος να αξιοποιεί τον εαυτό του σε πολύ μεγαλύτερα γεγονότα».

Και το μόνο που χρειάζεται για να πυροδοτήσει αυτή τη διαδικασία είναι συγκεκριμένες ακολουθίες υδρόφοβων και πολικών συστατικών, τις οποίες μπορεί να προβλέψει το μοντέλο του. «Το μοντέλο του Dill δείχνει ότι χρειάζεστε μόνο αυτές τις δύο ιδιότητες», είπε ο Peter Schuster, θεωρητικός χημικός και ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης. "Αυτό είναι ένα όμορφο θεωρητικό αποτέλεσμα."

«Θέσει υπό αμφισβήτηση το όραμα της προέλευσης της ζωής που βασίζεται στην υπόθεση του κόσμου του RNA», δήλωσε ο Andrew Pohorille, διευθυντής του Κέντρου Υπολογιστικής Αστροβιολογίας και Θεμελιώδης Βιολογίας της NASA. Για αυτόν και για κάποιους άλλους επιστήμονες, οι πρωτεΐνες φαίνονται σαν ένα «πιο φυσικό σημείο εκκίνησης», επειδή είναι πιο εύκολο να παρασκευαστούν από τα νουκλεϊκά οξέα. Ο Pohorille υποστηρίζει ότι το σύστημα αποθήκευσης πληροφοριών που βρέθηκε στις πρώτες αρχές της ζωής θα ήταν λιγότερο προηγμένο από το σύστημα που βασίζεται σε νουκλεϊκό οξύ στα σύγχρονα κύτταρα.

«Η υπόθεση της πρώτης πρωτεΐνης δεν άρεσε στους ανθρώπους γιατί δεν ξέρουμε πώς να αναπαράγουμε πρωτεΐνες», πρόσθεσε. "Αυτή είναι μια προσπάθεια να δείξουμε ότι παρόλο που δεν μπορείτε πραγματικά να αναπαραγάγετε πρωτεΐνες με τον ίδιο τρόπο που μπορείτε να αναπαραγάγετε το RNA, μπορείτε ακόμα να δημιουργήσετε και να εξελίξετε έναν κόσμο χωρίς αυτό το είδος ακριβούς αποθήκευσης πληροφοριών."

Αυτό το γόνιμο περιβάλλον πλούσιο σε πληροφορίες θα μπορούσε τότε να γίνει πιο φιλόξενο για την εμφάνιση του RNA. Δεδομένου ότι το RNA θα ήταν καλύτερο στην αυτοκατάλυση, θα είχε ευνοηθεί από τη φυσική επιλογή μακροπρόθεσμα. «Αν ξεκινήσετε με ένα απλούστερο μοντέλο [όπως του Dill], κάτι σαν RNA θα μπορούσε να εμφανιστεί αργότερα και θα γινόταν νικητής στο παιχνίδι παραγωγής», δήλωσε ο Doron Lancet, ένας ερευνητής γονιδιωματικής που έχει δουλέψει πάνω στο δικό του απλό μοντέλο που βασίζεται στη χημεία. στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Ισραήλ.

Αναζήτηση αποδείξεων με πεπτοειδή

Φυσικά, το κλειδί για όλα αυτά βρίσκεται στον πραγματικό πειραματισμό. «Ό,τι πηγαίνει πίσω από 2,5 έως 3 δισεκατομμύρια χρόνια είναι εικασίες», είπε ο Έριχ Μπόρνμπεργκ-Μπάουερ, καθηγητής μοριακής εξέλιξης στο Πανεπιστήμιο Westfälische Wilhelms του Münster στη Γερμανία. Περιέγραψε το έργο του Ντιλ ως «πραγματικά μια απόδειξη της ιδέας». Το μοντέλο πρέπει ακόμα να δοκιμαστεί έναντι άλλων θεωρητικών μοντέλων και πειραματικής έρευνας στο εργαστήριο, εάν θέλει πραγματικά να δώσει μια καλή μάχη ενάντια στην υπόθεση του κόσμου του RNA. Διαφορετικά, «είναι σαν το αστείο για τους φυσικούς που υποθέτουν ότι οι αγελάδες είναι απολύτως ελαστικά σφαιρικά αντικείμενα», είπε ο Αντρέι Λούπας, διευθυντής του τμήματος εξέλιξης πρωτεϊνών στο Ινστιτούτο Αναπτυξιακής Βιολογίας Max Planck στη Γερμανία, ο οποίος πιστεύει σε έναν κόσμο πεπτιδίων RNA. , στο οποίο συνεξελίχθηκαν και οι δύο. "Οποιαδήποτε σημασία προέρχεται τελικά από εμπειρικές προσεγγίσεις."

Γι' αυτό ο Zuckermann, ένας από τους συν-συγγραφείς του Dill στο PNAS χαρτί, έχει αρχίσει να εργάζεται σε ένα έργο που ελπίζει ότι θα επιβεβαιώσει την υπόθεση του Dill.

Πριν από είκοσι πέντε χρόνια, περίπου την εποχή που ο Dill πρότεινε το μοντέλο αναδίπλωσης πρωτεΐνης HP, ο Zuckermann ανέπτυξε μια συνθετική μέθοδο για τη δημιουργία τεχνητών πολυμερών που ονομάζονται πεπτοειδή. Έχει χρησιμοποιήσει αυτά τα μη βιολογικά μόρια για να δημιουργήσει υλικά που μιμούνται πρωτεΐνες. Τώρα χρησιμοποιεί πεπτοειδή για να δοκιμάσει τις προβλέψεις του μοντέλου HP, εξετάζοντας πώς αναδιπλώνονται οι ακολουθίες και αν θα μπορούσαν να κάνουν καλούς καταλύτες. Κατά τη διάρκεια αυτού του πειράματος, είπε ο Zuckermann, αυτός και οι συνάδελφοί του θα δοκιμάσουν χιλιάδες ακολουθίες.

Αυτό είναι βέβαιο ότι θα είναι ακατάστατο και δύσκολο. Το μοντέλο HP της Dill είναι εξαιρετικά απλοποιημένο και δεν λαμβάνει υπόψη πολλές από τις περίπλοκες μοριακές λεπτομέρειες και τις χημικές αλληλεπιδράσεις που χαρακτηρίζουν την πραγματική ζωή. "Αυτό σημαίνει ότι θα συναντήσουμε πραγματικότητες ατομικού επιπέδου που το μοντέλο δεν μπορεί να δει", είπε ο Zuckermann.

Μια τέτοια πραγματικότητα μπορεί να είναι ότι ένα ζευγάρι foldamer θα συγκεντρώνονταν αντί να καταλύουν το ένα την παραγωγή του άλλου. Οι σκεπτικιστές της υπόθεσης του Dill ανησυχούν ότι θα ήταν πολύ πιο εύκολο για τα υδρόφοβα μπαλώματα να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους αντί με άλλες αλυσίδες πολυμερών. Όμως, σύμφωνα με τον Pohorille, η πιθανότητα συσσωμάτωσης δεν σημαίνει αυτόματα ότι ο Dill κάνει λάθος που χρειάζεται αυτά τα υδρόφοβα έμπλαστρα για να ξεκινήσει η αυτόματη κατάλυση. «Τα σύγχρονα ένζυμα δεν είναι απλώς λείες μπάλες. Τα ένζυμα περιέχουν σχισμές που βοηθούν τη διαδικασία της κατάλυσης», εξήγησε. Εάν υπάρχει συνάθροιση μεταξύ των αναδιπλώσεων μέσω των μαξιλαριών προσγείωσης, είναι πιθανό η δομή που προκύπτει να διαθέτει επίσης τέτοια χαρακτηριστικά.

«Ακόμα κι αν φαίνεται απίθανο, η επιστήμη πρέπει να εξετάσει όλες τις υποθέσεις», πρόσθεσε ο Bornberg-Bauer. "Αυτό κάνει ο Dill."

Προς το παρόν, τουλάχιστον, η υπόθεση του κόσμου του RNA κυριαρχεί. Ωστόσο, ο Dill και ο Zuckermann παραμένουν αισιόδοξοι για το τι θα αποφέρει περαιτέρω έρευνα. Ο Dill σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει το μοντέλο για να εξετάσει άλλα ερωτήματα σχετικά με την προέλευση της ζωής, συμπεριλαμβανομένου του πώς και γιατί προέκυψε ο γενετικός κώδικας. Και ο Zuckermann ελπίζει ότι η έρευνα - εκτός από την επιβεβαίωση (ή τη διάψευση) των υπολογισμών του Dill - θα τον βοηθήσει επίσης να φτιάξει φακέλους που μπορούν να λειτουργήσουν ως οχήματα για τη διανομή φαρμάκων, συνθετικά αντισώματα ή διαγνωστικά εργαλεία.

«Αυτό το μοντέλο δίνει σε πειραματιστές σαν εμένα ένα σημείο εκκίνησης», είπε ο Zuckermann. "Θεωρεί την πρόκληση να βρούμε αυτούς τους πρωτόγονους καταλύτες, να δείξουμε πώς λειτουργούν, να πούμε:Αυτό θα μπορούσε πραγματικά να είχε συμβεί."