Πώς προέκυψε η δομή στην αρχέγονη σούπα

Πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια, τα μόρια άρχισαν να δημιουργούν αντίγραφα του εαυτού τους, ένα γεγονός που σηματοδότησε την αρχή της ζωής στη Γη. Μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα, οι πρωτόγονοι οργανισμοί άρχισαν να χωρίζονται στα διάφορα κλαδιά που αποτελούν το δέντρο της ζωής. Ανάμεσα σε αυτά τα δύο θεμελιώδη γεγονότα, εμφανίστηκαν μερικές από τις μεγαλύτερες καινοτομίες που υπάρχουν:το κύτταρο, ο γενετικός κώδικας και ένα ενεργειακό σύστημα που θα τα τροφοδοτεί όλα. Και τα τρία αυτά είναι απαραίτητα για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε, ωστόσο οι επιστήμονες γνωρίζουν ελάχιστα απογοητευτικά για το πώς προέκυψε κάποια από αυτές τις αξιοσημείωτες βιολογικές καινοτομίες.

«Είναι πολύ δύσκολο να συμπεράνουμε ακόμη και τη σχετική διάταξη των εξελικτικών γεγονότων πριν από τον τελευταίο κοινό πρόγονο», είπε ο Γκρεγκ Φουρνιέ, γεωβιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Τα κύτταρα μπορεί να εμφανίστηκαν πριν από τον ενεργειακό μεταβολισμό, ή ίσως ήταν το αντίστροφο. Χωρίς απολιθώματα ή DNA που διατηρήθηκαν από οργανισμούς που ζούσαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι επιστήμονες είχαν λίγα δεδομένα για να εργαστούν.

Ο Fournier ηγείται μιας προσπάθειας ανασυγκρότησης της ιστορίας της ζωής σε αυτούς τους εξελικτικούς σκοτεινούς αιώνες - τα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μεταξύ της εποχής που πρωτοεμφανίστηκε η ζωή και της στιγμής που χωρίστηκε σε αυτό που θα γινόταν το ατελείωτο κουβάρι της ύπαρξης.

David Kaplan, Petr Stepanek και Ryan Griffin για το Quanta Magazine. μουσική Kai Engel

Βίντεο: Ο David Kaplan διερευνά τις κορυφαίες θεωρίες για την προέλευση της ζωής στον πλανήτη μας.

Χρησιμοποιεί γονιδιωματικά δεδομένα από ζωντανούς οργανισμούς για να συμπεράνει την αλληλουχία DNA των αρχαίων γονιδίων ως μέρος ενός αναπτυσσόμενου πεδίου γνωστό ως παλαιογονιδιωματική. Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο τον Μάρτιο στο Journal of Molecular Evolution , ο Fournier έδειξε ότι το τελευταίο χημικό γράμμα που προστέθηκε στον κώδικα ήταν ένα μόριο που ονομάζεται τρυπτοφάνη — ένα αμινοξύ που είναι πιο διάσημο για την παρουσία του στα δείπνα της γαλοπούλας. Το έργο υποστηρίζει την ιδέα ότι ο γενετικός κώδικας εξελίχθηκε σταδιακά.

Χρησιμοποιώντας παρόμοιες μεθόδους, ελπίζει να αποκρυπτογραφήσει τη χρονική σειρά μεγαλύτερου μέρους του κώδικα — προσδιορίζοντας πότε προστέθηκε κάθε γράμμα στο γενετικό αλφάβητο — και να χρονολογήσει βασικά γεγονότα στην αρχή της ζωής, όπως η εμφάνιση κυττάρων.

Dark Origins

Η ζωή εμφανίστηκε πριν από τόσο πολύ καιρό που ακόμη και οι βραχώδεις σχηματισμοί που κάλυπταν τον πλανήτη εκείνη την εποχή έχουν καταστραφεί — και μαζί τους, οι περισσότερες χημικές και γεωλογικές ενδείξεις για την πρώιμη εξέλιξη. «Υπάρχει ένα τεράστιο χάσμα μεταξύ της προέλευσης της ζωής και του τελευταίου κοινού προγόνου», είπε ο Έρικ Γκάουτσερ, βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στην Ατλάντα.

Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι κάποια στιγμή σε αυτό το χρονικό διάστημα, τα ζωντανά πλάσματα άρχισαν να χρησιμοποιούν έναν γενετικό κώδικα, ένα σχέδιο για την παραγωγή σύνθετων πρωτεϊνών. Είναι εκείνες οι πρωτεΐνες που εκτελούν τις ζωτικές λειτουργίες του κυττάρου. (Η δομή του DNA και του RNA επιτρέπει επίσης τις γενετικές πληροφορίες να αναπαραχθούν και να περάσουν από γενιά σε γενιά, αλλά αυτό είναι μια ξεχωριστή διαδικασία από τη δημιουργία πρωτεϊνών.) Τα συστατικά του κώδικα και ο μοριακός μηχανισμός που τις συναρμολογεί «είναι μερικά από οι παλαιότερες και πιο καθολικές πτυχές των κυττάρων και οι βιολόγοι ενδιαφέρονται πολύ να κατανοήσουν τους μηχανισμούς με τους οποίους εξελίχθηκαν», δήλωσε ο Paul Higgs, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο McMaster στο Χάμιλτον του Οντάριο.

Ο τρόπος με τον οποίο δημιουργήθηκε ο κώδικας παρουσιάζει ένα πρόβλημα με το κοτόπουλο. Οι βασικοί παίκτες στον κώδικα - DNA, RNA, αμινοξέα και πρωτεΐνες - είναι χημικά περίπλοκες δομές που συνεργάζονται για να παράγουν πρωτεΐνες. Αλλά στα σύγχρονα κύτταρα, οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία των στοιχείων του κώδικα. Πώς λοιπόν προέκυψε ένας εξαιρετικά δομημένος κώδικας;

Οι περισσότεροι ερευνητές πιστεύουν ότι ο κώδικας ξεκίνησε απλώς με βασικές πρωτεΐνες που παρασκευάζονταν από ένα περιορισμένο αλφάβητο αμινοξέων. Στη συνέχεια έγινε πολυπλοκότητα με την πάροδο του χρόνου, καθώς αυτές οι πρωτεΐνες έμαθαν να παράγουν πιο εξελιγμένα μόρια. Τελικά, εξελίχθηκε σε έναν κώδικα ικανό να δημιουργήσει όλη την ποικιλομορφία που βλέπουμε σήμερα. «Γίνεται εδώ και καιρό η υπόθεση ότι το «τυποποιημένο αλφάβητο» της ζωής των 20 αμινοξέων εξελίχθηκε από ένα απλούστερο, παλαιότερο αλφάβητο, όπως το αγγλικό αλφάβητο έχει συσσωρεύσει επιπλέον γράμματα στην ιστορία του», δήλωσε ο Stephen Freeland, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Maryland, στη Βαλτιμόρη. Νομός.

Τα πρώτα γράμματα αμινοξέων στον κώδικα ήταν πιθανότατα τα πιο απλά στη δομή, αυτά που μπορούν να κατασκευαστούν από καθαρά χημικά μέσα, χωρίς τη βοήθεια βοηθού πρωτεΐνης. (Για παράδειγμα, τα αμινοξέα γλυκίνη, αλανίνη και γλουταμινικό οξύ έχουν βρεθεί σε μετεωρίτες, υποδηλώνοντας ότι μπορούν να σχηματιστούν αυθόρμητα σε διάφορα περιβάλλοντα.) Αυτά είναι όπως τα γράμματα A , Ε και S — αρχέγονες μονάδες που χρησίμευσαν ως θεμέλια για όσα ήρθαν αργότερα.

Η τρυπτοφάνη, σε σύγκριση, έχει πολύπλοκη δομή και είναι σχετικά σπάνια στον πρωτεϊνικό κώδικα, όπως ένα Y ή Z , οδήγησε τους επιστήμονες να θεωρήσουν ότι ήταν μια από τις τελευταίες προσθήκες στον κώδικα.

Αυτά τα χημικά στοιχεία είναι επιτακτικά, αλλά περιστασιακά. Μπείτε στον Φουρνιέ. Υποψιαζόταν ότι επεκτείνοντας το έργο του στην παλαιογονιδιωματική, θα μπορούσε να αποδείξει την κατάσταση της τρυπτοφάνης ως το τελευταίο γράμμα που προστέθηκε στον κώδικα.

Το τελευταίο γράμμα

Οι επιστήμονες ανακατασκευάζουν αρχαίες πρωτεΐνες για περισσότερο από μια δεκαετία, κυρίως για να καταλάβουν πόσο οι αρχαίες πρωτεΐνες διέφεραν από τις σύγχρονες - πώς έμοιαζαν και πώς λειτουργούσαν. Αλλά αυτές οι προσπάθειες επικεντρώθηκαν στην περίοδο της εξέλιξης μετά τον τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο (ή LUCA, όπως το αποκαλούν οι ερευνητές). Το έργο του Fournier βρίσκεται πιο πίσω από κάθε άλλη προηγούμενη προσπάθεια. Για να το κάνει, έπρεπε να προχωρήσει πέρα ​​από την τυπική εφαρμογή της συγκριτικής γονιδιωματικής, η οποία αναλύει τις διαφορές μεταξύ των κλαδιών στο δέντρο της ζωής. "Εξ ορισμού, οτιδήποτε πριν από το LUCA βρίσκεται πέρα ​​από το βαθύτερο σχίσιμο του δέντρου", είπε.

Ο Fournier ξεκίνησε με δύο σχετικές πρωτεΐνες, την TrpRS (τρυπτοφανυλο tRNA συνθετάση) και την TyrRS (συνθετάση τυροσυλικού tRNA), οι οποίες βοηθούν στην αποκωδικοποίηση των γραμμάτων RNA στα αμινοξέα τρυπτοφάνη και τυροσίνη. Οι TrpRS και TyrRS σχετίζονται στενότερα μεταξύ τους παρά με οποιαδήποτε άλλη πρωτεΐνη, υποδεικνύοντας ότι εξελίχθηκαν από την ίδια προγονική πρωτεΐνη. Κάποια στιγμή πριν από το LUCA, αυτή η μητρική πρωτεΐνη μεταλλάχθηκε ελαφρά για να παράγει αυτές τις δύο νέες πρωτεΐνες με διακριτές λειτουργίες. Ο Fournier χρησιμοποίησε υπολογιστικές τεχνικές για να αποκρυπτογραφήσει πώς πρέπει να μοιάζει αυτή η προγονική πρωτεΐνη.

Βρήκε ότι η προγονική πρωτεΐνη έχει όλα τα αμινοξέα εκτός από την τρυπτοφάνη, υποδηλώνοντας ότι η προσθήκη της ήταν η τελευταία πινελιά στον γενετικό κώδικα. «Δείχνει πειστικά ότι η τρυπτοφάνη ήταν το τελευταίο αμινοξύ που προστέθηκε, όπως εικαζόταν στο παρελθόν, αλλά δεν ήταν πραγματικά καρφωμένο όπως έγινε εδώ», δήλωσε ο Nigel Goldenfeld, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign, ο οποίος δεν συμμετείχε σε τη μελέτη.

Ο Fournier σχεδιάζει τώρα να χρησιμοποιήσει την τρυπτοφάνη ως δείκτη για να χρονολογήσει άλλα σημαντικά γεγονότα πριν από το LUCA, όπως η εξέλιξη του μεταβολισμού, τα κύτταρα και η κυτταρική διαίρεση και οι μηχανισμοί κληρονομικότητας. Αυτές οι τρεις διαδικασίες σχηματίζουν ένα είδος βιολογικής τριανδρίας που έθεσε τα θεμέλια για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε σήμερα. Αλλά γνωρίζουμε λίγα για το πώς δημιουργήθηκαν. "Αν κατανοήσουμε τη σειρά αυτών των βασικών βημάτων, δημιουργείται ένα βέλος που δείχνει πιθανά σενάρια για την προέλευση της ζωής", είπε ο Fournier.

Για παράδειγμα, εάν οι προγονικές πρωτεΐνες που εμπλέκονται στο μεταβολισμό στερούνται τρυπτοφάνης, κάποια μορφή μεταβολισμού πιθανότατα εξελίχθηκε νωρίς. Εάν οι πρωτεΐνες που κατευθύνουν την κυτταρική διαίρεση συνοδεύονται από τρυπτοφάνη, υποδηλώνει ότι αυτές οι πρωτεΐνες εξελίχθηκαν σχετικά αργά.

Διαφορετικά μοντέλα για την προέλευση της ζωής κάνουν διαφορετικές προβλέψεις για το ποια από αυτές τις τρεις διαδικασίες ήρθε πρώτη. Ο Fournier ελπίζει ότι η προσέγγισή του θα προσφέρει έναν τρόπο να αποκλείσει ορισμένα από αυτά τα μοντέλα. Ωστόσο, προειδοποιεί ότι δεν θα διευθετηθεί οριστικά το χρονοδιάγραμμα αυτών των γεγονότων.

Ο Fournier σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει τις ίδιες τεχνικές για να καταλάβει τη σειρά με την οποία άλλα αμινοξέα προστέθηκαν στον κώδικα. «Ενισχύει πραγματικά την ιδέα ότι η ίδια η εξέλιξη του κώδικα ήταν μια προοδευτική διαδικασία», δήλωσε ο Paul Schimmel, καθηγητής μοριακής και κυτταρικής βιολογίας στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Μιλάει για τη φινέτσα και τη λεπτότητα που χρησιμοποιούσε η φύση για να τελειοποιήσει αυτές τις πρωτεΐνες και την ποικιλομορφία που χρειαζόταν για να σχηματίσει αυτό το τεράστιο δέντρο της ζωής."