Η μελέτη προέλευσης ζωής δείχνει χημικές χίμαιρες, όχι RNA

Οι επιστήμονες που μελετούν πώς προέκυψε η ζωή από την αρχέγονη σούπα ήταν πολύ πρόθυμοι να καθαρίσουν την ακαταστασία.

Πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια, η πρεβιοτική Γη ήταν ένα ακατάστατο μέρος, μια χαοτική σύνθεση διαφορετικών πρώτων υλών. Ακόμα κι έτσι, ορισμένα βασικά μόρια εξακολουθούν να κατάφεραν με κάποιο τρόπο να αναδυθούν από αυτό το χημικό χάος - RNA, DNA και πρωτεΐνες ανάμεσά τους. Αλλά στην προσπάθεια να καταλάβουν πώς συνέβη αυτό, σύμφωνα με τον Ramanarayanan Krishnamurthy, χημικό στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps στην Καλιφόρνια, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν τόσο μυωπικά στις αντιδράσεις που παράγουν μόρια σχετικά με τους σημερινούς κατοίκους του πλανήτη που έχουν παραβλέψει άλλους δυνατότητες.

«Προσπαθούν να επιβάλουν τη βιολογία σήμερα στην πρεβιοτική χημεία», είπε. "Αλλά προσπαθώντας να φτιάξουμε το τελικό προϊόν απευθείας από την πρώτη ύλη — μας παραπλανά."

«Ξεχνάμε το μείγμα», πρόσθεσε — και μαζί με αυτό, οι πιο κυκλικές χημικές οδοί που θα μπορούσαν ενδεχομένως να οδηγήσουν στο ίδιο βιολογικό αποτέλεσμα, τα ενδιάμεσα στάδια στο μονοπάτι προς τη ζωή που έκτοτε έχουν ξεθωριάσει χωρίς ίχνος.

Είναι λογικό ότι οι πειραματιστές προτίμησαν να διατηρούν τα πράγματα καθαρά και άμεσο - να συνθέτουν σημαντικές ενώσεις όπως αμινοξέα ή νουκλεοτίδια σε κομμάτια και να θεωρούν τη ζωή ως φυσαλίδες από πιο παρθένες αρχές. «Το συναίσθημα ήταν ότι αν προσπαθούσες να ενσωματώσεις πάρα πολλά στο σύστημά σου», είπε ο Τζον Σάδερλαντ, χημικός στο Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας MRC στην Αγγλία, «όλα θα άρχιζαν να υποβαθμίζονται και απλώς θα έπαιρνες ένα χάος». /P>

Ωστόσο, η έρευνα αρχίζει να δείχνει ότι το να ξεκινάς με το σωστό είδος μπέρδεμα δεν είναι μόνο πιο ρεαλιστικό, αλλά πιο αποτελεσματικό στη δημιουργία υλικών ζωτικής σημασίας για τη ζωή, ενώ παράλληλα εξαλείφει προβλήματα που ταλαιπωρούν τα καθαρότερα συστήματα. «Υπάρχουν στιγμές που έχουμε μείγματα, και όχι απλώς μεμονωμένα αντιδραστήρια που συνήθως χρησιμοποιούν οι άνθρωποι, και έχουμε καλύτερα αποτελέσματα», δήλωσε ο Νίκολας Χαντ, χημικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια. Όταν λαμβάνονται υπόψη τα μείγματα, η εμφάνιση της ζωής στη Γη κατά κάποιο τρόπο «δεν είναι τόσο δύσκολη όσο νομίζουμε ότι είναι».

Στα πιο συναρπαστικά στοιχεία μέχρι σήμερα, ο Krishnamurthy και ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριό του, ο Subhendu Bhowmik, εξέτασαν πώς ένα σύστημα χιμαιρικών μορίων RNA-DNA - μόρια κατασκευασμένα από τις χημικές μονάδες τόσο του RNA όσο και του DNA - παρήγαγε καθαρό RNA και καθαρό DNA πιο εύκολα από συστήματα που ξεκίνησαν καθαρά. Το έργο, που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Nature Chemistry , υπογραμμίζει πόσο σημαντικό μπορεί να ήταν ένα ποικίλο, πολύπλοκο μείγμα συστατικών για την πρώιμη εξέλιξη της ζωής.

Bring On the Hybrid Monsters

Η αφήγηση που έχει δελεάσει τους ερευνητές της προέλευσης της ζωής για δεκαετίες είναι το παγκόσμιο σενάριο του RNA:Το καθαρό RNA προέκυψε μέσα στον αρχικό ζωμό των μορίων πρεβιοτικών. το RNA έκανε αντίγραφα του εαυτού του, αλλά επίσης αργότερα εξέλιξε και εφηύρε το DNA ως πιο σταθερό συνεργάτη στην αντιγραφή. πεπτίδια εντάχθηκαν στο χορό κάπου στην πορεία. Αυτή η θεωρία ενισχύθηκε κυρίως από την ανακάλυψη ότι το RNA μπορεί να λειτουργήσει τόσο ως γενετικό υλικό όσο και ως καταλύτης, που σημαίνει ότι θα μπορούσε να έχει εκτελέσει αυτούς τους ρόλους νωρίς στην ιστορία της ζωής και να παραδώσει τη σκυτάλη στο DNA και τις πρωτεΐνες αργότερα.

Αλλά ο κόσμος του RNA δεν είναι η τέλεια λύση. Ίσως το μεγαλύτερο εμπόδιο είναι ότι υπήρξαν σοβαρά προβλήματα με τη λήψη καθαρού RNA για βιώσιμη αναπαραγωγή στο εργαστήριο. Ως πρώτο βήμα για τη δημιουργία ενός αντιγράφου του εαυτού του, ένας μόνο κλώνος RNA μπορεί να πάρει συμπληρωματικά δομικά στοιχεία νουκλεοτιδίων από το περιβάλλον του και να τα συρράψει μεταξύ τους. Αλλά οι ζευγαρωμένοι κλώνοι RNA τείνουν στη συνέχεια να συνδέονται μεταξύ τους τόσο σφιχτά που δεν ξετυλίγονται χωρίς βοήθεια, κάτι που τους εμποδίζει να λειτουργήσουν είτε ως καταλύτες είτε ως πρότυπα για περαιτέρω κλώνους RNA.

«Είναι μια πραγματική πρόκληση», είπε ο Σάδερλαντ. "Κρατά το γήπεδο πίσω για πολύ καιρό."

Αλλά ίσως το να ξεκινήσετε με ένα συνονθύλευμα ενώσεων αντί για καθαρό RNA θα μπορούσε να το διορθώσει, σκέφτηκε ο Krishnamurthy, αφού ένα πείραμα του 2016 που περιελάμβανε ακριβώς ένα τέτοιο δοχείο τήξης έδωσε απροσδόκητα αποτελέσματα.

Αυτός, ο Hud και οι συνάδελφοί τους είχαν ερευνήσει τις ιδιότητες ενός υβριδικού μορίου που αποτελείται από μια ποικιλία δομικών στοιχείων RNA και DNA, τα οποία ονόμασαν "χίμαιρα" - ένα νεύμα στο τέρας από την ελληνική μυθολογία που συνδύαζε σώμα λιονταριού, κατσίκας και φιδιού εξαρτήματα. Τέτοιες χίμαιρες, σκέφτηκαν, θα μπορούσαν να παρέχουν πληροφορίες για τη μετάβαση από έναν κόσμο RNA σε έναν κόσμο που περιέχει επίσης DNA. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι όταν οι χίμαιρες σχημάτιζαν δίκλωνα σύμπλοκα, ήταν λιγότερο σταθερές από τα δίκλωνα σύμπλοκα καθαρού RNA ή καθαρού DNA. Εκείνη την εποχή, η ομάδα ερμήνευσε το εκπληκτικό εύρημα ως ένδειξη γιατί τα μόρια καθαρού RNA και καθαρού DNA έγιναν το αγαπημένο μέσο γενετικής κληρονομικότητας της φύσης σε σχέση με κάτι πιο μικτό.

Αλλά έκανε και τον Κρισναμούρθυ να σκεφτεί:Τι θα γινόταν αν η χιμαιρική αστάθεια ήταν, αντίθετα, κρυφά ωφέλιμη και πρόσφερε έναν πιο φυσικό τρόπο για να φτάσετε σε έναν κόσμο καθαρού RNA και καθαρού DNA ακριβώς έξω από την πύλη;

Αυτό έδειξαν ο ίδιος και ο Bhowmik στη νέα τους μελέτη. Επειδή τα νουκλεϊκά οξέα με μικτές ραχοκοκαλιές σχημάτισαν ασθενέστερα συστήματα δύο κλώνων, δεν υπέκυψαν στο πρόβλημα διαχωρισμού κλώνων που εμπόδιζε την αντιγραφή για καθαρό RNA. Επιπλέον, κατά τη διαδικασία αντιγραφής τους, οι χίμαιρες RNA-DNA συνέθεταν κατά προτίμηση κλώνους καθαρού RNA και καθαρού DNA παρά νέα χιμαιρικά μόρια — και παρήγαγαν περισσότερες από αυτές τις καθαρές ενώσεις από ό,τι τα πρότυπα καθαρού νουκλεϊκού οξέος.

Δεν χρειαζόταν να γίνει καθαρή σύνθεση RNA από νωρίς για να ληφθούν τα υλικά με τα οποία κατέληξε η ζωή. Τα ακατάστατα, ακάθαρτα πρότυπα δεν αρκούσαν απλώς, λειτουργούσαν καλύτερα. "Αν αφήσετε τις αντιδράσεις να συμβούν σε ένα μείγμα, αυτόματα σας δίνουν τα μόρια που αναζητάτε χωρίς να το θέλετε πραγματικά", είπε ο Krishnamurthy.

Τέτοια μόρια RNA-DNA Frankenstein δεν είναι απλώς βολικές εφευρέσεις που συνδυάζονται για χάρη του πειράματος. Ενώ κανένα γνωστό ζωντανό μικρόβιο ή πλάσμα δεν έχει χιμαιρικό γονιδίωμα, μια ερευνητική ομάδα έχει δημιουργήσει τεχνητά το E. coli που κάνουν. Και η μαγιά και άλλοι μικροοργανισμοί έχουν παρατηρηθεί να κάνουν κατά λάθος τέτοια μείγματα, αν και έχουν ενζυμικά συστήματα που εξαλείφουν τέτοια λάθη.

Ο Κρισναμούρθυ και ο Μπόουμικ εφάρμοσαν την ιδέα τους για την πρώτη χίμαιρα σε ένα άλλο σύστημα, επίσης, με μείγματα RNA και TNA, ένα τεχνητό νουκλεοτίδιο που χρησιμοποιείται συχνά για να μοντελοποιήσει αυτό που θα μπορούσε να προηγηθεί του κόσμου του RNA. Τα αποτελέσματα ήταν τα ίδια:Το πιο περίπλοκο μείγμα είχε καλύτερη απόδοση από τα συστήματα καθαρού RNA ή καθαρού TNA. «Αυτό σημαίνει ότι η αρχή ενός μείγματος που οδηγεί σε καθαρά [προϊόντα] είναι πιθανώς πολύ γενική», είπε ο Krishnamurthy. "Δεν είναι μοναδικό για το RNA-DNA."

Τα ευρήματα, σύμφωνα με τον Antonio Lazcano Araujo, ερευνητή προέλευσης της ζωής στο Εθνικό Αυτόνομο Πανεπιστήμιο του Μεξικού, καταδεικνύουν «τη χημική χώρα των θαυμάτων που πρέπει να ήταν διαθέσιμη πριν από την εμφάνιση των πρώτων συστημάτων αναπαραγωγής» — μια χημική χώρα των θαυμάτων που είναι τώρα δίνοντας κρίσιμες νέες γνώσεις για το πώς ξεκίνησε η ζωή.

Από την αυγή έως το σούρουπο

Στην πραγματικότητα, μια χούφτα άλλες μελέτες έχουν ήδη δείξει πρόσθετα οφέλη σε αυτή την προσέγγιση, ευρέως γνωστή ως χημεία συστημάτων. Το 2015, οι Krishnamurthy, Hud και οι συνεργάτες τους έδειξαν ότι η προσπάθεια κατανόησης της προέλευσης της σύνθεσης πολυπεπτιδίων εστιάζοντας μόνο στα αμινοξέα, τα δομικά στοιχεία των πεπτιδίων, μπορεί να είναι λάθος. Τα αμινοξέα δεν αντιδρούν καλά από μόνα τους για να δημιουργήσουν πεπτίδια, αλλά ένα μείγμα αμινοξέων και άλλης, εντυπωσιακά παρόμοιας ένωσης (άλφα υδροξυοξέα).

Μελέτες των τελευταίων δύο ετών έχουν δείξει ότι η πολυπλοκότητα κερδίζει την καθαρότητα και σε άλλα πλαίσια:Τα κυστίδια που κατασκευάζονται μόνο από λιπαρά οξέα, για παράδειγμα, είναι λιγότερο σταθερά από αυτά που σχηματίζονται από έναν συνδυασμό λιπαρών οξέων και ορισμένων ενώσεων αλάτων. Αν και τα νεότερα ευρήματα του Κρισναμούρθυ μπορεί να φαίνεται να υπονοούν ότι το RNA και το DNA προέκυψαν ταυτόχρονα — αντί το RNA να εμφανίζεται πρώτα και μετά να παράγει DNA — αυτό αντιπροσωπεύει απλώς ένα πιθανό σενάριο. Το θέμα είναι ότι υπάρχουν «διάφοροι τρόποι να είσαι πιο ακατάστατος από ό,τι πιστεύαμε αρχικά», είπε ο Σάδερλαντ, κάτι που μπορεί να έχει ανεκτίμητα οφέλη.

Ο Σάδερλαντ βρήκε στοιχεία, για παράδειγμα, ότι το πρώιμο μείγμα πρεβιοτικών μπορεί να περιλάμβανε RNA και πεπτίδια, αντί RNA και DNA:Οι αντιδράσεις που παράγουν τα δομικά στοιχεία του RNA αναπόφευκτα δημιουργούν και πεπτιδικά δομικά στοιχεία. Αλλά σε κάθε περίπτωση, «και οι δύο επικαλούνται μια δυιστική προέλευση», είπε. "Και αυτό εξακολουθεί να έρχεται σε αντίθεση με τις ιδέες χημείας προ-συστημάτων, που θα ήταν μία, μετά δεύτερη και μετά τρίτη."

«Νομίζω ότι ο κόσμος του RNA ήταν σαν αφροδισιακό για πολλούς ανθρώπους», είπε ο Κρισναμούρθυ. «Ήταν σαν ένα παραμυθένιο τέλος:το RNA δημιουργήθηκε και όλοι έζησαν ευτυχισμένοι για πάντα». Αλλά τώρα γίνεται σαφές ότι «στην πρεβιοτική χημεία, [θα πρέπει] να είσαι χαρούμενος που εργάζεσαι με μείγματα και δεν χρειάζεται να βρεις χημεία που θα παράγει μόνο ένα συγκεκριμένο μόριο, κάτι που δεν είναι ρεαλιστικό».

Τώρα θέλει να διερευνήσει περαιτέρω συνέπειες αυτού του είδους της χιμαιρικής χημείας. Η δημιουργία άλλων ειδών νουκλεϊκών οξέων με υβριδικές ραχοκοκαλιές, για παράδειγμα, μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικές ιδιότητες σύνδεσης. «Αν αλλάξεις τη ραχοκοκαλιά, αλλάζει και τους κανόνες», είπε ο Κρισναμούρθυ. Και έτσι δοκιμάζει ποιοι άλλοι κανόνες μπορεί να αλλάξουν και πώς αυτό μπορεί να επηρεάσει την εικόνα που έχουμε σχεδιάσει για το πώς ξεκίνησε η ζωή (και ορισμένες διαδικασίες, όπως ο μεταβολισμός).

«Νομίζω ότι οι άνθρωποι μπαίνουν πολύ στο συγκρότημα της χημείας συστημάτων», είπε ο Σάδερλαντ. "Είναι πολύ νωρίς για να εξαχθούν συγκεκριμένα συμπεράσματα", αλλά αυτού του είδους η εργασία προσφέρει διαφορετικές θεωρίες που μπορούν να δοκιμαστούν η μία εναντίον της άλλης και να χρησιμοποιηθούν για να κατευθύνουν μελλοντικές έρευνες.

Εξαλείφει επίσης ορισμένες θεωρίες:Ίσως είναι καιρός να αποχαιρετήσουμε υποθέσεις που βασίζονται σε μια γραμμική, προοδευτική διαδρομή από την πρωτόγονη σούπα στη σημερινή βιολογία, υπέρ ιδεών που αγκαλιάζουν τα πολύπλοκα μείγματα της χημείας συστημάτων. «Αν σκέφτεστε τη μετάβαση μεταξύ ημέρας και νύχτας», είπε ο Lazcano Araujo, «ποτέ δεν πηγαίνετε από τον καθαρά λαμπερό ήλιο σε μια σκοτεινή νύχτα χωρίς φεγγάρι. Περνάς το σούρουπο."

Σημείωση του συντάκτη:Τόσο ο Krishnamurthy όσο και ο Sutherland είναι μέλη της Simons Collaboration on the Origins of Life, που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons, το οποίο εκδίδει Quanta.