Τα πρώτα πεπτίδια της ζωής μπορεί να έχουν αναπτυχθεί σε σκέλη RNA

Η ιδέα ότι οι βαθύτερες, αρχαιότερες ρίζες της ζωής δημιουργήθηκαν από μόρια RNA που εξελίχθηκαν όλο και πιο πολύπλοκα, κυριαρχεί στο πεδίο της προέλευσης της ζωής τις τελευταίες δεκαετίες, κυριαρχώντας σε ανταγωνιστικές θεωρίες που ξεκίνησαν αντ 'αυτού με πεπτίδια ή DNA.

Αλλά πρόσφατα, το πεδίο έχει στραφεί προς θεωρίες που περιλαμβάνουν περισσότερους από έναν πρωταγωνιστές. Αυτό που έχει αποκτήσει ιδιαίτερη δυναμική είναι η ιδέα ότι τα RNA και τα πεπτίδια συνεξέλιξαν την πολυπλοκότητα και ότι η ανάμειξή τους πυροδότησε τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε.

Τώρα, μια νέα μελέτη δημοσιεύτηκε στο Nature αναπνέει φωτιά σε έναν «κόσμο πεπτιδίων RNA» προτείνοντας μια εύλογη οδό για το πόσο πρώιμα μόρια RNA μπορεί να επέτρεψαν στα πεπτίδια να αναπτυχθούν απευθείας πάνω τους, όπως τα μανιτάρια που αναπτύσσονται σε ένα δέντρο. Αυτά τα πεπτίδια μπορεί με τη σειρά τους να έχουν σταθεροποιήσει τα μόρια RNA, επιτρέποντάς τους χώρο να πολυπλοκοποιηθούν. Αυτή η συνεξέλιξη δύο από τους βασικούς παράγοντες της ζωής ως ένα ενιαίο μικτό, «χιμαιρικό» μόριο μπορεί να ήταν η ίδια η αρχή της παραγωγής πρωτεΐνης και ένα βήμα προς μια πρωτόγονη έκδοση ενός ριβοσώματος.

«Αποδεικνύεται ότι θα μπορούσαν πραγματικά να είχαν βοηθήσει ο ένας τον άλλον», είπε η Claudia Bonfio, επικεφαλής της ομάδας στο Ινστιτούτο Υπερμοριακής Επιστήμης και Μηχανικής στο Στρασβούργο της Γαλλίας, η οποία έγραψε ένα σχόλιο που συνόδευε την εφημερίδα. Μελέτες έχουν δείξει ότι οι πρώτες ύλες τόσο για τα πεπτίδια όσο και για το RNA πιθανότατα θα ήταν παρούσες στην αρχή της ζωής, επομένως αυτό το άρθρο έχει την άποψη, "Γιατί να επικεντρωθούμε μόνο στο RNA;" είπε ο Bonfio.

Το έργο ανοίγει νέες κατευθύνσεις για την εξερεύνηση της προέλευσης της ζωής, δήλωσε ο Yitzhak Tor, καθηγητής χημείας και βιοχημείας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, αλλά είναι μακροχρόνιος συνεργάτης με τους συγγραφείς. "Τώρα πρέπει να εξετάσετε την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο διαφορετικών βιομορίων."

Είναι μια «άκρως ενδιαφέρουσα επίδειξη», δήλωσε ο Andro Rios, ερευνητής στο Ινστιτούτο Επιστημών του Διαστήματος Blue Marble και στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA.

Τα ευρήματα εξηγούν επίσης ένα μεγάλο αίνιγμα με το κοτόπουλο και το αβγό που έχει σαστίσει τους ερευνητές που μελετούν την προέλευση της ζωής:Πώς σχηματίστηκαν οι πρωτεΐνες πριν από την εξέλιξη του ριβοσώματος - της κυτταρικής μηχανής που παράγει πρωτεΐνες στα σύγχρονα κύτταρα - όταν το ριβόσωμα αποτελείται εν μέρει από τις ίδιες τις πρωτεΐνες;

Ζωντανά απολιθώματα

Όταν τα κύτταρα χρειάζονται να παράγουν πρωτεΐνες, τα γονίδιά τους ξεδιπλώνουν μακριά νήματα αγγελιαφόρου RNA (mRNA) που κωδικοποιεί πολύ ακριβείς συνταγές για την παρασκευή τους. Τα ριβοσώματα γλιστρούν πάνω από αυτές τις συνταγές για να τις διαβάσουν και να συναρμολογήσουν τα αμινοξέα που αντιστοιχούν σε κάθε βήμα, με τη βοήθεια των προμηθευτών αμινοξέων τους:μόρια που ονομάζονται RNA μεταφοράς (tRNA) που καταδύονται συνεχώς καθώς εξελίσσεται η διαδικασία. Το ριβόσωμα μεταφέρει μια αναπτυσσόμενη πεπτιδική αλυσίδα σε κάθε νέο αμινοξύ που εισάγεται από τα tRNA. Αυτές οι αλυσίδες γίνονται όλο και μεγαλύτερες και τελικά διπλώνουν σε λειτουργικές πρωτεΐνες.

Είναι απίθανο, ωστόσο, ότι οι πρωτεΐνες σχηματίστηκαν με παρόμοιο τρόπο πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Οι δεσμοί που συγκρατούν τα πεπτίδια στα μόρια tRNA είναι μάλλον αδύναμοι. Χωρίς διαθέσιμο ριβόσωμα για να παρέχει καταφύγιο, τα μόρια του νερού θα σπάσουν αυτούς τους δεσμούς πριν σχηματιστούν πεπτίδια, καθιστώντας τη διαδικασία ανέφικτη στις σκληρές υδάτινες συνθήκες του αρχέγονου κόσμου.

Αλλά οι περισσότεροι άνθρωποι επικεντρώνονται στην εκ νέου δημιουργία της γνωστής διαδικασίας της μετάφρασης πρωτεϊνών σε μια απλούστερη μορφή, δήλωσε ο Thomas Carell, ανώτερος συγγραφέας της νέας εργασίας και η έδρα για την οργανική χημεία στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου. Τι θα γινόταν αν η αρχαία μετάφραση έμοιαζε πολύ διαφορετική από τη σύγχρονη μορφή της;

Ο Carell και η ομάδα του άρχισαν να σκάβουν σε αυτήν την ιδέα, αναζητώντας ισχυρότερους δεσμούς που θα μπορούσαν να είχαν επιβιώσει σε αρχέγονες συνθήκες. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο μπήκαν σε ζώνες στα συχνά παραμελημένα μόρια που ονομάζονται μη κανονικά νουκλεοτίδια. Ο γενετικός κώδικας του RNA τυπικά γράφεται με μόνο τέσσερις βάσεις (αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και ουρακίλη), αλλά νουκλεοτίδια με άλλες βάσεις υπάρχουν επίσης σε πολλά μόρια RNA που κάνουν άλλες εργασίες - συμπεριλαμβανομένης της βοήθειας στην παραγωγή πρωτεΐνης στο ριβόσωμα. Αυτά τα ασυνήθιστα νουκλεοτίδια μπορούν να προσκολληθούν σε αμινοξέα με έναν χημικό δεσμό που είναι πολύ ισχυρότερος από αυτόν που συνδέει αμινοξέα στα μόρια tRNA.

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Σε μια μελέτη του 2018, ο Carell και η ομάδα του ανέφεραν ότι τα κλασικά νουκλεοτίδια και τα μη κανονικά νουκλεοτίδια πιθανότατα εξελίχθηκαν ταυτόχρονα πριν από την αυγή της ζωής. Μερικά από αυτά σε μεταφορικά και ριβοσωμικά RNA ήταν παρόντα στον τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο όλων των οργανισμών.

Εδώ υπήρχαν «λείψανα ενός παλιού κόσμου RNA που κάθονταν το ένα δίπλα στο άλλο ακριβώς στο παλαιότερο μέρος του συστήματος», είπε ο Carell. "Λοιπόν είπαμε, εντάξει, αυτά είναι τα απολιθώματα μας — και ας δούμε τι μπορούν να μας πουν τα απολιθώματα."

Ανέπτυξαν ένα μοντέλο για ένα διαφορετικό είδος διαδικασίας ανάπτυξης πεπτιδίων. Φαντάστηκαν δύο κλώνους RNA που καλύπτονται από αυτά τα ασυνήθιστα νουκλεοτίδια, ένα που το φόρτωσαν με ένα αμινοξύ χρησιμοποιώντας τον ισχυρότερο δεσμό. Αφού το πρώτο αμινοξύ πηδήξει στον δεύτερο κλώνο, θα μπορούσαν να φορτώσουν ξανά τον πρώτο κλώνο με άλλο αμινοξύ. Με την κυκλική θέρμανση και ψύξη του συστήματος, μπορούσαν να σπάσουν επανειλημμένα και να δημιουργήσουν δεσμούς μεταξύ των αμινοξέων στις δύο αλυσίδες, γυρνώντας τα αμινοξέα από τη μια αλυσίδα στην άλλη και επεκτείνοντας την αλυσίδα.

Στην πραγματικότητα, αν η κατασκευή ενός πεπτιδίου είναι σαν τη συναρμολόγηση ενός πύργου από δομικά στοιχεία, η νέα διαδικασία προσθέτει αμινοξέα προσθέτοντας μπλοκ στην κορυφή μιας αυξανόμενης στοίβας, ενώ η σύνθεση ριβοσωμικών πρωτεϊνών επεκτείνει τον πύργο μετακινώντας τον σε νέα κομμάτια στο κάτω μέρος.

Αυξανόμενα πεπτίδια

Η δοκιμή της θεωρίας τους περιελάμβανε ένα σύνολο πειραμάτων που ο Carell ονόμασε «κουραστική» και «βίαιη περιοδεία δύναμης» — αλλά στο τέλος, έδειξαν ότι η διαδικασία θα μπορούσε πράγματι να παράγει πεπτίδια μήκους έως και 13 αμινοξέων.

Η διαδικασία υπολείπεται πολύ από τη μετάφραση πρωτεΐνης που παρατηρείται στα κύτταρα. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό που λείπει είναι ότι τα ριβοσώματα μεταφράζουν οδηγίες για μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη που κωδικοποιείται στο mRNA. Στο νέο σύστημα, "αναπτύσσουμε σχετικά τυχαία πεπτίδια", είπε ο Carell.

Αλλά οι ερευνητές πέτυχαν να δείξουν ότι τα πεπτίδια θα μπορούσαν να δημιουργηθούν καθαρά από το RNA με σταδιακό τρόπο, κάτι που είναι «κάτι που δεν είχε γίνει πριν», είπε ο Bonfio. Συνολικά, η αποδεδειγμένη διαδικασία είναι ένα ζωτικό βήμα προς τη μοριακή αναγνώριση, είπε, παρόλο που δεν είναι μια πρωτόγονη εκδοχή ενός ριβοσώματος.

«Είναι ένα πραγματικά όμορφο παράδειγμα χημείας», είπε η Σάρα Γουόκερ, αναπληρώτρια καθηγήτρια στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Αλλά αυτή και ο Lee Cronin, πρόεδρος της χημείας στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης, σκέφτηκαν και οι δύο ότι το σύστημα μπορεί να ήταν υπερβολικά σχεδιασμένο ή πολύ μη ρεαλιστικό για να μιμηθεί αυτό που θα μπορούσε να είχε συμβεί στην αρχή της ζωής.

Για άλλους, ωστόσο, η μίμηση του έργου για τον αρχέγονο κόσμο είναι λιγότερο σημαντική από τις πόρτες που ανοίγει για περαιτέρω μελέτη. Επειδή τα ευρήματα δείχνουν ότι ένα πεπτίδιο και ένα RNA μπορούν να εξελιχθούν μαζί, είναι σαφές ότι «αυτό μπορεί να γίνει πειραματικά και χημικά», δήλωσε ο Nizar Saad, επίκουρος καθηγητής στο Nationwide Children's Hospital's Center for Gene Therapy στο Οχάιο. Ένας κόσμος πεπτιδίων RNA "είναι αυτό προς το οποίο οδεύει η επιστημονική κοινότητα τώρα", είπε ο Saad.

Ένας κόσμος RNA-πεπτιδίου

«Δεν θέλω να αντικαταστήσω τη θεωρία του κόσμου του RNA», είπε ο Carell. Αλλά «νομίζω ότι χρειαζόμαστε μια παράταση» για να το κάνουμε πιο εύλογο. Πιστεύει ότι αντί να εξελίσσουν την πολυπλοκότητά τους ξεχωριστά, το RNA και τα πεπτίδια το έκαναν μαζί ως ένα μόνο μόριο, συμπληρώνοντας το ένα τις λειτουργίες του άλλου.

Μια συνεξελισσόμενη χίμαιρα RNA και πεπτιδίων θα προσφέρει το καλύτερο σενάριο για την εξέλιξη της ζωής, είπε ο Carell. Αυτός και η ομάδα του διαπίστωσαν όχι μόνο ότι τα μόρια RNA βοηθούσαν τα πεπτίδια να αναπτυχθούν, αλλά ότι τα πεπτίδια έφερναν σταθερότητα στα μόρια RNA.

Καθώς η δομή της χίμαιρας έγινε τελικά μακρύτερη και πιο περίπλοκη, το πεπτιδικό τμήμα μπορεί να είχε σταθεροποιήσει το RNA αρκετά ώστε να αρχίσει να αυτοαναπαράγεται και να εξελίσσεται. Εν τω μεταξύ, το RNA μπορεί να είχε αφήσει το πεπτιδικό τμήμα να αποκτήσει μια δομή αρκετά εξελιγμένη ώστε να του επιτρέψει να αρχίσει να καταλύει χημικές αντιδράσεις. Τελικά, τα μέρη θα μπορούσαν να είχαν χωριστεί και να αρχίσουν να αλληλεπιδρούν με τρόπους που έμοιαζαν περισσότερο με αυτό που συμβαίνει σε ένα ριβόσωμα.

Ο Carell και η ομάδα του ελπίζουν στη συνέχεια να μάθουν εάν μπορούν να κάνουν τα ανορθόδοξα μόρια RNA τους να αναπτύξουν συγκεκριμένα πεπτίδια από κωδικοποιημένες πληροφορίες. Στη συνέχεια ελπίζουν να δουν εάν το πεπτίδιο μπορεί να αναπτύξει καταλυτικές λειτουργίες που θα μπορούσαν να βοηθήσουν το RNA να αναπαραχθεί.

Όποιες και αν είναι οι επιτυχίες ή οι αποτυχίες μας, θα είναι πάντα δύσκολο να γνωρίζουμε τι ακριβώς συνέβη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. «Δεν μπορούμε να γυρίσουμε τον χρόνο πίσω, οπότε ό,τι και να κατασκευάσετε στο πεδίο, κάποιος μπορεί πάντα να πει, νομίζω ότι όλα έγιναν διαφορετικά», είπε ο Carell. «Και αν κάποιος βρει ένα καλύτερο μοντέλο, [είναι] κάτι παραπάνω από ευπρόσδεκτο. Έτσι αναπτύσσεται η επιστήμη.»