Το τέλος του κόσμου του RNA είναι κοντά, υποστηρίζουν οι βιοχημικοί

Πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια, εμφανίστηκαν οι πρώτοι μοριακοί πρόδρομοι της ζωής, που στροβιλίζονταν στην αρχέγονη σούπα χημικών ουσιών της Γης. Αν και η ταυτότητα αυτών των μορίων παραμένει ένα αντικείμενο σπασμωδικής συζήτησης, οι επιστήμονες συμφωνούν ότι τα μόρια θα έπρεπε να εκτελούν δύο κύριες λειτουργίες:την αποθήκευση πληροφοριών και την κατάλυση χημικών αντιδράσεων. Το σύγχρονο κύτταρο αναθέτει αυτές τις ευθύνες στο DNA του και τις πρωτεΐνες του, αντίστοιχα — αλλά σύμφωνα με την αφήγηση που κυριαρχεί στην έρευνα για την προέλευση της ζωής και στις περιγραφές βιολογίας- σχολικών βιβλίων σήμερα, το RNA ήταν το πρώτο που έπαιξε αυτόν τον ρόλο, ανοίγοντας το δρόμο για το DNA και πρωτεΐνες που θα αναληφθούν αργότερα.

Αυτή η υπόθεση, που προτάθηκε τη δεκαετία του 1960 και ονομάστηκε «κόσμος RNA» δύο δεκαετίες αργότερα, θεωρείται συνήθως ως η πιο πιθανή εξήγηση για το πώς ξεκίνησε η ζωή. Οι εναλλακτικοί «κόσμοι» αφθονούν, αλλά συχνά θεωρούνται ως εναλλακτικές θεωρίες, πτήσεις φανταχτερών ή ιδιότροπων πειραμάτων σκέψης.

Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι, εκτός από τη θεωρία, ο κόσμος του RNA είναι ενισχυμένος από πολύ περισσότερα πειραματικά στοιχεία από όσα έχει συγκεντρώσει οποιοσδήποτε από τους ανταγωνιστές του. Τον περασμένο μήνα, Quanta Magazine αναφέρθηκε σε μια εναλλακτική θεωρία που υποδηλώνει ότι τα μόρια που μοιάζουν με πρωτεΐνες, και όχι το RNA, μπορεί να ήταν οι πρώτοι αυτο-αντιγραφείς του πλανήτη. Αλλά τα ευρήματά του ήταν καθαρά υπολογιστικά. οι ερευνητές μόλις άρχισαν τα πειράματα για να αναζητήσουν υποστήριξη για τους ισχυρισμούς τους.

Τώρα, ένα ζευγάρι ερευνητών έχει διατυπώσει μια άλλη θεωρία - αυτή τη φορά που περιλαμβάνει τη συνεξέλιξη RNA και πεπτιδίων - που ελπίζουν ότι θα κλονίσει τον κόσμο του RNA.

Γιατί το RNA ήταν ανεπαρκές

Πρόσφατες εργασίες που δημοσιεύθηκαν στο Biosystems και Μοριακή Βιολογία και Εξέλιξη σκιαγράφησε γιατί η υπόθεση του κόσμου του RNA δεν παρέχει επαρκή βάση για τα εξελικτικά γεγονότα που ακολούθησαν. Αντίθετα, είπε ο Τσαρλς Κάρτερ, δομικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας, Τσάπελ Χιλ, ο οποίος συνέγραψε τις εργασίες, το μοντέλο αντιπροσωπεύει «μια πρόσφορη πρόταση». "Δεν υπάρχει περίπτωση ένα μόνο πολυμερές να μπορεί να πραγματοποιήσει όλες τις απαραίτητες διαδικασίες που τώρα χαρακτηρίζουμε ως μέρος της ζωής", πρόσθεσε.

Και αυτό το μοναδικό πολυμερές σίγουρα δεν θα μπορούσε να είναι RNA, σύμφωνα με τις μελέτες της ομάδας του. Η κύρια ένσταση για το μόριο αφορά την κατάλυση:Κάποιες έρευνες έχουν δείξει ότι για να επικρατήσει η ζωή, το μυστήριο πολυμερές θα έπρεπε να συντονίζει τους ρυθμούς των χημικών αντιδράσεων που θα μπορούσαν να διαφέρουν σε ταχύτητα έως και 20 τάξεις μεγέθους. Ακόμη και αν το RNA μπορούσε με κάποιο τρόπο να το κάνει αυτό στον πρεβιοτικό κόσμο, οι δυνατότητές του ως καταλύτης θα είχαν προσαρμοστεί στις θερμές θερμοκρασίες - περίπου 100 βαθμούς Κελσίου - που αφθονούσαν στην πρώιμη Γη. Μόλις ο πλανήτης άρχισε να ψύχεται, ισχυρίζεται ο Carter, το RNA δεν θα μπορούσε να εξελιχθεί και να συνεχίσει το έργο του συγχρονισμού. Σε λίγο, η συμφωνία των χημικών αντιδράσεων θα είχε πέσει σε αταξία.

Ίσως το πιο σημαντικό, ένας κόσμος μόνο με RNA δεν θα μπορούσε να εξηγήσει την εμφάνιση του γενετικού κώδικα, τον οποίο σχεδόν όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί χρησιμοποιούν σήμερα για να μεταφράσουν γενετικές πληροφορίες σε πρωτεΐνες. Ο κώδικας παίρνει καθεμία από τις 64 πιθανές αλληλουχίες RNA τριών νουκλεοτιδίων και τις χαρτογραφεί σε ένα από τα 20 αμινοξέα που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πρωτεϊνών. Η εύρεση ενός συνόλου κανόνων αρκετά ισχυρών για να γίνει αυτό θα έπαιρνε πολύ χρόνο μόνο με το RNA, είπε ο Peter Wills, συν-συγγραφέας του Carter στο Πανεπιστήμιο του Auckland στη Νέα Ζηλανδία - εάν ο κόσμος του RNA μπορούσε να φτάσει ακόμη και σε αυτό το σημείο, το οποίο θεώρησε εξαιρετικά απίθανος. Κατά την άποψη του Wills, το RNA θα μπορούσε να ήταν σε θέση να καταλύσει τον δικό του σχηματισμό, καθιστώντας τον «χημικά αντανακλαστικό», αλλά δεν είχε αυτό που ονόμασε «υπολογιστική ανακλαστικότητα».

"Ένα σύστημα που χρησιμοποιεί πληροφορίες με τον τρόπο που οι οργανισμοί χρησιμοποιούν τη γενετική πληροφορία - για να συνθέσουν τα δικά τους συστατικά - πρέπει να περιέχει αντανακλαστικές πληροφορίες", είπε ο Wills. Όρισε τις αντανακλαστικές πληροφορίες ως πληροφορίες που, «όταν αποκωδικοποιούνται από το σύστημα, κάνουν τα στοιχεία που εκτελούν ακριβώς τη συγκεκριμένη αποκωδικοποίηση». Η υπόθεση του RNA του κόσμου του RNA, πρόσθεσε, είναι απλώς χημεία γιατί δεν έχει κανένα μέσο ελέγχου της χημείας του. "Ο κόσμος του RNA δεν σας λέει τίποτα για τη γενετική", είπε.

Η φύση έπρεπε να βρει μια διαφορετική διαδρομή, μια καλύτερη συντόμευση προς τον γενετικό κώδικα. Ο Carter και ο Wills πιστεύουν ότι έχουν αποκαλύψει αυτή τη συντόμευση. Εξαρτάται από έναν σφιχτό βρόχο ανάδρασης — έναν βρόχο που δεν θα είχε αναπτυχθεί μόνο από το RNA αλλά από ένα σύμπλεγμα πεπτιδίου-RNA.

Φέρνοντας τα πεπτίδια στο μείγμα

Ο Κάρτερ βρήκε υπαινιγμούς αυτού του συμπλέγματος στα μέσα της δεκαετίας του 1970, όταν έμαθε στο μεταπτυχιακό σχολείο ότι ορισμένες δομές που εμφανίζονται στις περισσότερες πρωτεΐνες είναι «δεξιόχειρες». Δηλαδή, τα άτομα στις δομές θα μπορούσαν να έχουν δύο ισοδύναμες διατάξεις κατοπτρικής εικόνας, αλλά όλες οι δομές χρησιμοποιούν μόνο μία. Τα περισσότερα από τα νουκλεϊκά οξέα και τα σάκχαρα που συνθέτουν το DNA και το RNA είναι επίσης δεξιόχειρες. Ο Κάρτερ άρχισε να σκέφτεται το RNA και τα πολυπεπτίδια ως συμπληρωματικές δομές και μοντελοποίησε ένα σύμπλεγμα στο οποίο «φτιάχτηκαν το ένα για το άλλο, σαν το χέρι σε ένα γάντι».

Αυτό υπονοούσε ένα στοιχειώδες είδος κωδικοποίησης, μια βάση για την ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ του RNA και του πολυπεπτιδίου. Ήταν καθ' οδόν για να σκιαγραφήσει πώς θα μπορούσε να φαινόταν, δουλεύοντας προς τα πίσω από τον πολύ πιο εξελιγμένο σύγχρονο γενετικό κώδικα. Όταν ο κόσμος του RNA, που δημιουργήθηκε το 1986, αναδείχθηκε, ο Κάρτερ παραδέχτηκε:«Ήμουν αρκετά κολλημένος». Ένιωθε ότι ο κόσμος του με πεπτίδιο-RNA, που είχε προταθεί μια δεκαετία νωρίτερα, είχε αγνοηθεί εντελώς.

Από τότε, αυτός, ο Γουίλς και άλλοι έχουν συνεργαστεί σε μια θεωρία που γυρίζει πίσω σε αυτήν την έρευνα. Ο κύριος στόχος τους ήταν να καταλάβουν τον πολύ απλό γενετικό κώδικα που προηγήθηκε του σημερινού πιο συγκεκριμένου και περίπλοκου. Και έτσι στράφηκαν όχι μόνο στον υπολογισμό αλλά και στη γενετική.

Στο κέντρο της θεωρίας τους βρίσκονται 20 μόρια «φόρτωσης» που ονομάζονται συνθετάσες αμινοακυλο-tRNA. Αυτά τα καταλυτικά ένζυμα επιτρέπουν στο RNA να συνδέεται με συγκεκριμένα αμινοξέα σύμφωνα με τους κανόνες του γενετικού κώδικα. «Κατά μία έννοια, ο γενετικός κώδικας «γράφεται» στην ιδιαιτερότητα των ενεργών θέσεων» αυτών των ενζύμων, δήλωσε η Jannie Hofmeyr, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο Stellenbosch στη Νότια Αφρική, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Προηγούμενη έρευνα έδειξε ότι τα 20 ένζυμα μπορούσαν να χωριστούν ομοιόμορφα σε δύο ομάδες των 10 με βάση τη δομή και την αλληλουχία τους. Αυτές οι δύο κατηγορίες ενζύμων, όπως αποδείχθηκε, έχουν ορισμένες αλληλουχίες που κωδικοποιούν αμοιβαία αποκλειόμενα αμινοξέα - που σημαίνει ότι τα ένζυμα έπρεπε να έχουν προκύψει από συμπληρωματικούς κλώνους του ίδιου αρχαίου γονιδίου. Οι Carter, Wills και οι συνεργάτες τους διαπίστωσαν ότι σε αυτό το σενάριο, το RNA κωδικοποιούσε τα πεπτίδια χρησιμοποιώντας ένα σύνολο μόνο δύο κανόνων (ή, με άλλα λόγια, χρησιμοποιώντας μόνο δύο τύπους αμινοξέων). Τα προκύπτοντα πεπτιδικά προϊόντα κατέληξαν να επιβάλλουν τους ίδιους τους κανόνες που διέπουν τη διαδικασία μετάφρασης, σχηματίζοντας έτσι τον σφιχτό βρόχο ανατροφοδότησης που οι ερευνητές γνώριζαν ότι θα ήταν η βάση της θεωρίας.

Το Θεώρημα του Γκέντελ και η Χημεία της Ζωής

Ο Κάρτερ βλέπει ισχυρούς παραλληλισμούς μεταξύ αυτού του είδους βρόχου και του μαθηματικού που περιγράφεται από τον φιλόσοφο και μαθηματικό Kurt Gödel, του οποίου το θεώρημα της «μη πληρότητας» δηλώνει ότι σε κάθε λογικό σύστημα που μπορεί να αναπαρασταθεί, αναπόφευκτα θα προκύψουν δηλώσεις που δεν μπορούν να αποδειχθούν αληθείς ή ψευδείς σε αυτό το σύστημα. «Πιστεύω ότι η αναλογία με το θεώρημα του Γκέντελ παρέχει ένα αρκετά ισχυρό επιχείρημα για το αναπόφευκτο», είπε ο Κάρτερ.

Στις πρόσφατες εργασίες τους, οι Carter και Wills δείχνουν ότι ο κόσμος τους με πεπτίδιο-RNA επιλύει κενά στο ιστορικό προέλευσης της ζωής που το RNA από μόνο του δεν μπορεί να εξηγήσει. «Παρέχουν ισχυρές θεωρητικές και πειραματικές ενδείξεις ότι τα πεπτίδια και το RNA συμμετείχαν από κοινού στην προέλευση του γενετικού κώδικα από την αρχή», είπε ο Hofmeyr, «και ότι ο μεταβολισμός, η κατασκευή μέσω της μεταγραφής και της μετάφρασης και η αντιγραφή πρέπει να έχουν συνεξελίξει». /P>

Φυσικά, το μοντέλο Carter-Wills ξεκινά με τον γενετικό κώδικα, η ύπαρξη του οποίου προϋποθέτει πολύπλοκες χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν μόρια όπως το RNA μεταφοράς και τα ένζυμα φόρτωσης. Οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι τα γεγονότα που οδήγησαν στο προτεινόμενο σενάριο περιελάμβαναν αλληλεπίδραση RNA και πεπτιδίων (στο σύμπλεγμα που περιέγραψε ο Carter τη δεκαετία του 1970, για παράδειγμα). Ωστόσο, αυτή η πρόταση εξακολουθεί να αφήνει πολλά ανοιχτά ερωτήματα σχετικά με το πώς ξεκίνησε αυτή η χημεία και πώς έμοιαζε.

Για να απαντηθούν αυτά τα ερωτήματα, αφθονούν οι θεωρίες που ξεπερνούν τον κόσμο του RNA. Στην πραγματικότητα, ορισμένοι επιστήμονες υιοθετούν μια προσέγγιση ακριβώς αντίθετη από αυτή των Κάρτερ και Γουίλς:Αντίθετα, πιστεύουν ότι τα πρώτα στάδια της ζωής δεν χρειαζόταν να ξεκινήσουν με τίποτα που να μοιάζει με το είδος της χημείας που παρατηρείται σήμερα. Ο Doron Lancet, ερευνητής γονιδιωματικής στο Weizmann Institute of Science στο Ισραήλ, θέτει μια εναλλακτική θεωρία που βασίζεται σε συγκροτήματα λιπιδίων που καταλύουν την είσοδο και την έξοδο διαφόρων μορίων. Οι πληροφορίες δεν μεταφέρονται από γενετικές αλληλουχίες, αλλά από τη λιπιδική σύνθεση τέτοιων συγκροτημάτων.

Ακριβώς όπως το μοντέλο που πρότειναν οι Carter και Wills, οι ιδέες του Lancet δεν περιλαμβάνουν έναν τύπο μορίου αλλά μια τεράστια ποικιλία από αυτά. «Ολοένα και περισσότερα στοιχεία συσσωρεύονται», είπε ο Lancet, «που μπορεί να κάνει μια εναλλακτική υπόθεση να είναι σωστή». Η κριτική επιτροπή εξακολουθεί να μην γνωρίζει τι πραγματικά συνέβη στην αρχή της ζωής, αλλά η παλίρροια φαίνεται να απομακρύνεται από μια ιστορία αφιερωμένη αποκλειστικά στο RNA.

"Θα πρέπει να βάλουμε μόνο μερικά από τα αυγά μας στο παγκόσμιο καλάθι RNA", είπε ο Hofmeyr.