Ένα νέο βήμα για την εκ νέου δημιουργία της πρώτης ζωής στη Γη

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Αποθήκευση

Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην προέλευση της ζωής είναι το πώς δημιουργήθηκαν τα πρώτα βιολογικά μόρια. Τα σημερινά κύτταρα χρησιμοποιούν πολύπλοκα συγκροτήματα βιολογικών μορίων για την παραγωγή DNA, RNA και πρωτεϊνών. Πώς λειτουργούσε η ζωή πριν υπάρξουν αυτά τα μόρια;

Η κυρίαρχη θεωρία, γνωστή ως «κόσμος RNA», προτείνει ότι το RNA ήταν το πρώτο βιολογικό μόριο. Το RNA διαθέτει τις δύο βασικές ιδιότητες που απαιτούνται για τη ζωή:Μπορεί να κωδικοποιεί πληροφορίες (όπως το DNA) και μπορεί να καταλύει βιολογικές αντιδράσεις (όπως οι πρωτεΐνες). Ίσως η ζωή ξεκίνησε με ένα μόριο RNA ή RNA που μπορεί να αντιγραφεί, μεταδίδοντας τις γενετικές του πληροφορίες στην επόμενη γενιά.

Αλλά η θεωρία του κόσμου του RNA έχει ένα κενό τρύπα. Οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να δημιουργήσουν ένα τέτοιο μόριο στο εργαστήριο. Από τη δεκαετία του 1990 μπόρεσαν να δημιουργήσουν ένζυμα RNA, ή ριβοένζυμα, που μπορούν να δημιουργήσουν συμπληρωματικά αντίγραφα ενός προτύπου RNA — μια αλληλουχία RNA όπως το AACU θα μπορούσε να αντιγραφεί στο συμπληρωματικό UUGA, για παράδειγμα. Αλλά στην πραγματικότητα η αντιγραφή του RNA απαιτεί δύο βήματα, τη μετάβαση από το AACU στο UUGA και μετά πάλι πίσω στο AACU. Μια άλλη δυσκολία είναι ότι τα υπάρχοντα ένζυμα RNA δεν μπορούν να δημιουργήσουν μεγάλα ή πολύπλοκα μόρια.

Τώρα, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες παρήγαγαν ένα ένζυμο RNA που μπορεί να δημιουργήσει ένα ευρύ φάσμα αλληλουχιών RNA. Μπορεί επίσης να αντιγράψει τα περισσότερα μόρια RNA μήκους έως 24 γράμματα. «Το ριβοένζυμο μας είναι το πρώτο που αντιγράφει το RNA με τρόπο βάση-βάση, με τον ίδιο τρόπο που γίνεται στη φύση», δήλωσε ο Ντέιβιντ Χόρνινγκ, ερευνητής στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps στη Λα Τζόλα της Καλιφόρνια, ο οποίος έκανε τη δουλειά. με τον Gerald Joyce, επίσης στο Scripps. Η μελέτη δημοσιεύτηκε αυτό το μήνα στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών .

Οι ερευνητές ξεκίνησαν με ένα υπάρχον ριβοένζυμο και πρόσθεσαν τυχαίες αλλαγές στην ακολουθία για να δημιουργήσουν ένα τρισεκατομμύριο ελαφρώς διαφορετικές εκδόσεις. Στη συνέχεια, οι ερευνητές υπέβαλαν τη δεξαμενή των ριβοζύμων σε μια πρόκληση. Επέλεξαν μόνο εκείνα που ήταν ικανά να δημιουργήσουν δύο διαφορετικά πολύπλοκα μόρια RNA. Στη συνέχεια επανέλαβαν τη διαδικασία δύο δωδεκάδες φορές - υποβάλλοντας τα μόρια που πέρασαν κάθε επίπεδο προκλήσεων σε όλο και πιο αυστηρές προκλήσεις - για να βρουν τους υποψηφίους που θα μπορούσαν να κάνουν τα RNA 30 γραμμάτων τα πιο γρήγορα. Αυτή η τεχνική, γνωστή ως πειραματική εξέλιξη ή εξέλιξη δοκιμαστικού σωλήνα, είναι μια τεχνητή εκδοχή της φυσικής επιλογής. Οι ερευνητές εισάγουν μερικές νέες μεταλλάξεις μετά από κάθε γύρο του πειράματος.

Το μόριο που έκανε τα νέα RNA πιο αποτελεσματικά, γνωστό ως ριβοένζυμο πολυμεράσης 24-3, λειτούργησε εκπληκτικά καλά. Θα μπορούσε να συνθέσει μια ποικιλία αλληλουχιών RNA με πολύπλοκες δομές, όχι μόνο τις δύο από τις αρχικές δοκιμές. Και ήταν πολύ πιο αποτελεσματικό από το αρχικό ριβοένζυμο στη δημιουργία απλών μορίων RNA.

Το πιο αξιοσημείωτο ήταν η ικανότητά του να αναπαράγει RNA - δημιουργώντας μια συμπληρωματική αλληλουχία RNA από ένα πρότυπο και στη συνέχεια μεταφράζοντας αυτή την αλληλουχία πίσω στην αρχική αλληλουχία - κάτι που είναι πολύ πιο δύσκολο από την απλή δημιουργία RNA, είπε ο Horning. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ριβοένζυμα συχνά προτιμούν ορισμένες αλληλουχίες. Ακριβώς όπως ένα κατσαβίδι Phillips λειτουργεί καλύτερα σε βίδες με κεφαλή Phillips, ορισμένα ριβοένζυμα προτιμούν κλώνους RNA πλούσιες σε Cs, ένα από τα τέσσερα χημικά γράμματα που συνθέτουν το RNA. Αυτά τα ριβοένζυμα μπορούν να δημιουργήσουν ένα συμπληρωματικό RNA από ένα πρότυπο πλούσιο σε C, όπως το CCUC, αλλά στη συνέχεια θα αντιμετωπίσουν προβλήματα με το δεύτερο μέρος της διαδικασίας - ανακατασκευάζοντας το πρωτότυπο από το πλούσιο σε G συμπλήρωμα GGAG, είπε ο Horning. Το Ribozyme 24-3 δεν είχε αυτό το πρόβλημα.

Το Ribozyme 24-3 εξακολουθεί να αντιμετωπίζει ένα σημαντικό εμπόδιο. Μπορεί να αντιγράψει άλλα μόρια RNA. Αλλά δεν μπορεί να αναπαραχθεί. Όπως σημειώνεται στο Science :

Ο Joyce και ο Horning συνεχίζουν να βελτιώνουν το ριβοένζυμο 24-3 με στόχο να δημιουργήσουν τελικά ένα μόριο που μπορεί να αντιγράψει τον εαυτό του.

Η νέα μελέτη είναι μόνο μία από τις πολλές προσπάθειες στο εργαστήριο Joyce για τη μελέτη της προέλευσης της ζωής. Για άγνωστους λόγους, όλο το DNA και το RNA που βρίσκονται στη φύση έχουν μια «δεξιόχειρη» χημική δομή. Οι «αριστερόχειρες» μορφές τους - αυτό που θα βλέπατε αν κοιτούσατε το DNA ή το RNA σε έναν καθρέφτη - δεν βρίσκονται ποτέ. Αλλά σε ένα μοναδικό πείραμα, που δημοσιεύθηκε το 2014, η ομάδα του Τζόις δημιούργησε ένα ριβοένζυμο που μπορούσε να αντιγράψει τόσο το αριστερό όσο και το δεξιόστροφο RNA.

Αυτό το «σταυροχειρικό» ριβοένζυμο είναι ενδιαφέρον γιατί λειτουργεί διαφορετικά από άλλα ριβοένζυμα, συμπεριλαμβανομένου του 24-3. Αυτά τα ριβοένζυμα συνδέονται με τους στόχους τους σύμφωνα με τη σειρά των γραμμάτων, όπως οι δύο πλευρές ενός φερμουάρ που ενώνονται. Αλλά το σταυροχειρικό ριβοένζυμο συνδέεται με βάση το σχήμα του μορίου και όχι την αλληλουχία του. Παρέχει έναν νέο μηχανισμό με τον οποίο μπορούν να λειτουργήσουν τα αντιγραφικά RNA, έναν μηχανισμό που δεν απαιτεί έναν κόσμο δεξιόχειρα.

Τη στιγμή της δημοσίευσης του πειράματος το 2014, το cross-chiral ριβοένζυμο ξεπέρασε τους ανταγωνιστές του σε ευελιξία. Αλλά ο Χόρνινγκ είπε ότι το ριβόζυμο 24-3 είναι πλέον ο ξεκάθαρος νικητής. Είναι πιο αποτελεσματικό από το ριβοένζυμο του 2014 και μπορεί να δημιουργήσει πιο πολύπλοκα μόρια.

Γυρίσματα για αυτό το βίντεο από τον Petr Stepanek. Μοντάζ και κινούμενα γραφικά από τον Ryan Griffin. Μουσική Kai Engel.

Βίντεο: Σε αυτό το βίντεο διάρκειας 2 λεπτών, ο David Kaplan εξερευνά τις κορυφαίες θεωρίες για την προέλευση της ζωής στον πλανήτη μας.

Σημείωση του συντάκτη:Το εργαστήριο Joyce λαμβάνει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons.