Ένας χημικός «κρίκος που λείπει» θα μπορούσε να εξηγήσει την προέλευση της ζωής στη Γη

Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια που έχει μαγέψει τους επιστήμονες τον τελευταίο καιρό είναι το πώς ήταν δυνατόν οι χημικές δομές να γίνουν βιολογικά συστήματα. Οι επιστήμονες έχουν πολλές θεωρίες σχετικά με το πώς η χημεία τελικά μετατράπηκε σε βιολογία, αλλά όχι οριστικές θεωρίες. Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Chemistry μπορεί να κατάφερε να εντοπίσει μια κρίσιμη ένωση για τη μετάβαση από τη χημεία στη βιολογία που ήταν υπεύθυνη για την αρχή της ζωής, έναν «κρίκο που λείπει» στη μελέτη της χημείας.

Ερευνητές της προέλευσης της ζωής στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps εντόπισαν μια ένωση που θα μπορούσε να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην προέλευση όλης της ζωής. Η ένωση αναφέρεται ως "διαμιδοφωσφορικό" ή DAP.

Τι ρόλο παίζει το DAP;

Είναι γνωστό ότι η ραχοκοκαλιά όλης της ζωής στην οργανική χημεία στη Γη είναι ο άνθρακας, αλλά ο άνθρακας δεν θα μπορούσε από μόνος του να έχει δημιουργήσει την τεράστια ποικιλία ζωής που βλέπουμε στη Γη σήμερα. Ο άνθρακας χρειαζόταν τη βοήθεια ενός άλλου στοιχείου στον περιοδικό πίνακα, του φωσφόρου.

Οι ερευνητές της προέλευσης της ζωής εικάζουν ότι μια χημική αντίδραση γνωστή ως φωσφορυλίωση ήταν απαραίτητη για τη συνένωση τριών διαφορετικών βασικών συστατικών που βρέθηκαν στις πρώιμες μορφές ζωής. Αυτά τα συστατικά είναι νουκλεοτίδια όπως DNA και RNA που αποθηκεύουν γενετικές πληροφορίες, λιπίδια που συγκεντρώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν δομές όπως κυτταρικά τοιχώματα και αμινοξέα ή πεπτίδια που εκτελούν την κύρια λειτουργία των κυττάρων.

Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η φωσφορυλίωση έπαιζε τόσο βασικό ρόλο στον σχηματισμό της πρώιμης ζωής, κανείς δεν είχε καταφέρει ποτέ να βρει έναν παράγοντα φωσφορυλίωσης που θα μπορούσε να δημιουργήσει επιτυχώς τα τρία διαφορετικά μόρια απαραίτητα για τη ζωή υπό ρεαλιστικές συνθήκες και να ήταν επίσης παρόν στην πρώιμη Γη. Η ανακάλυψη του DAP σηματοδοτεί την ανακάλυψη ενός φωσφορυλιωμένου παράγοντα ικανού να πληροί όλα τα κριτήρια. Θα μπορούσε απλώς να είναι η ένωση που ευθύνεται για την πρώιμη ζωή.

«Προτείνουμε μια χημεία φωσφορυλίωσης που θα μπορούσε να έχει προκαλέσει, όλα στο ίδιο μέρος, ολιγονουκλεοτίδια, ολιγοπεπτίδια και κυτταροειδείς δομές για να τα περικλείουν», δήλωσε ο Ramanarayanan Krishnamurthy, αναπληρωτής καθηγητής χημείας στο TSRI και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.

Η ικανότητα της DAP να ενεργοποιεί αυτά τα δομικά στοιχεία επέτρεψε τη δημιουργία άλλων χημικών δομών που ήταν δυνατές πριν από την παρέμβασή της. Αυτό θα μπορούσε εύκολα να οδηγήσει στην εμφάνιση των πρώτων απλοϊκών οργανισμών που βασίζονται σε κύτταρα.

Πώς λειτουργεί το DAP

Η DAP χρειαζόταν έναν καταλύτη για να ξεκινήσει τη διαδικασία της φωσφορυλίωσης. Η ιμιδαζόλη είναι μια ένωση που ενσωματώνεται στα διάφορα βιολογικά μόρια και είναι το πιο διαδεδομένο αμινοξύ ιστιδίνη συνολικά. Παίζει βασικό ρόλο στο σχηματισμό πολλών ενζύμων και πρωτεϊνών.

Με την Ιμιδαζόλη ως καταλύτη, η DAP θα μπορούσε να έχει κάνει επιτυχώς αυτό το κρίσιμο άλμα μεταξύ των πρώιμων χημικών ενώσεων όπως η κυτιδίνη και η ουριδίνη στον σχηματισμό των βασικών συστατικών για τη ζωή. Η φωσφορυλίωση των νουκλεοζιτών είναι ένα κρίσιμο πρώτο βήμα προς τη δημιουργία του RNA, το οποίο λειτουργεί ως προκάτοχος των γονιδίων μας.

Η ερευνητική ομάδα TRSI λέει ότι το DAP θα μπορούσε εύκολα να ήταν παρόν στο νερό στη γη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, όταν άρχισαν να εμφανίζονται οι πρώτοι κυτταρικοί οργανισμοί. Επιπλέον, οι σκληρές συνθήκες του πλανήτη εκείνη την εποχή δεν θα εμπόδιζαν την DAP να λειτουργήσει ως παράγοντας φωσφορυλίωσης. Η ιμιδαζόλη θα μπορούσε να έχει επιτρέψει το σχηματισμό λιπαρών οξέων και γλυκερόλης και η DAP θα μπορούσε να έχει συνδέσει αυτές τις δομές μεταξύ τους στα κυστίδια, τα οποία είναι πρωτόγονες εκδοχές των δύο στρωμάτων φωσφολιπιδίων που εμφανίζονται στις κυτταρικές μεμβράνες.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι όταν το DAP βρισκόταν στο νερό σε θερμοκρασία δωματίου και ήταν ικανό να φωσφορυλιώνει τα αμινοξέα και επίσης βοήθησε αυτά τα αμινοξέα να συνδεθούν σε μικρές πρωτεϊνικές αλυσίδες. Είναι λοιπόν σαφές ότι το DAP επηρεάζει το σχηματισμό και των τριών δομικών στοιχείων για την κυτταρική ζωή.

Λέει ο Κρισναμούρθυ:

"Με το DAP και το νερό και αυτές τις ήπιες συνθήκες, μπορείτε να κάνετε αυτές τις τρεις σημαντικές κατηγορίες προβιολογικών μορίων να ενωθούν και να μεταμορφωθούν, δημιουργώντας την ευκαιρία για να αλληλεπιδράσουν μαζί."

Οι συνέπειες της ανακάλυψης του DAP

Η ανακάλυψη του DAP από μόνη της δεν αποτελεί απόδειξη ότι παίζει ρόλο στην προέλευση της ζωής, φυσικά.

Ένα πράγμα που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι η DAP δεν έχει αποδειχθεί ότι είναι παρούσα στην εποχή όπου σχηματίστηκε η πρώτη μοριακή ζωή.

Ανεξάρτητες μελέτες έχουν προτείνει ότι η πρώιμη μονοκύτταρα ζωή μπορεί να εμφανίστηκε για πρώτη φορά στη Γη πριν από 4,2 δισεκατομμύρια έως 3,7 δισεκατομμύρια χρόνια ή ακόμη και μέσα σε μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια από τη γέννηση του πλανήτη πριν από περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια.

Ο Κρισναμούρθυ αναγνωρίζει ότι το χρονικό πλαίσιο όπου η πρεβιοτική χημεία οδηγεί στην εμφάνιση ζωής αμφισβητείται σε μεγάλο βαθμό στην επιστημονική κοινότητα. Λέει ότι το θέμα θα συνεχίσει να συζητείται ακόμη και όταν έρχονται νέα στοιχεία.

Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα αποκαλυπτικά αποτυπώματα στη βιοχημεία του σήμερα που θα μπορούσε να είχε αφήσει η DAP. Ο Krishnamurthy εξηγεί ότι το DAP φωσφορυλιώνεται με την ίδια θραύση του δεσμού φωσφόρου-αζώτου που κάνουν οι πρωτεϊνικές κινάσες. Οι κινάσες είναι πανταχού παρούσες στη σημερινή ζωή, γεγονός που υποδηλώνει την πιθανότητα ότι η DAP ήταν υπεύθυνη για την έναρξη της τάσης της φωσφορυλίωσης.

"Η χημεία φωσφορυλίωσης του DAP μοιάζει επίσης πολύ με αυτό που παρατηρείται στις αντιδράσεις στην καρδιά του μεταβολικού κύκλου κάθε κυττάρου", λέει ο Krishnamurthy.

Η ερευνητική ομάδα λέει ότι το επόμενο βήμα για αυτούς είναι η συνεργασία με γεωχημικούς για να προσδιορίσουν μια πιθανή πηγή μη βιολογικών πηγών DAP. Εφόσον οι ερευνητές αναζητούν τρόπους με τους οποίους οι μη ζωντανές χημικές δομές μπορούν να προκαλέσουν ζωή, θέλουν να δουν εάν ο καταλύτης για τη μετατροπή μεταξύ χημικών δομών σε ζωή μπορεί να προέλθει από μη βιολογικές πηγές.

Ο Κρισναμούρθυ και η υπόλοιπη ερευνητική ομάδα πιστεύουν ότι μπορεί να υπήρχαν ορυκτά στην επιφάνεια της πρώιμης Γης τα οποία απελευθέρωσαν ενώσεις φωσφόρου-αζώτου στις σωστές συνθήκες. Ο Krishnamurthy σημειώνει ότι οι αστρονόμοι κατάφεραν να βρουν στοιχεία για ενώσεις φωσφόρου-αζώτου στη σκόνη και τα αέρια που βρέθηκαν στο διαστρικό διάστημα, που σημαίνει ότι είναι εύλογο τέτοιες ενώσεις να υπήρχαν κατά τα πρώτα χρόνια της Γης και ότι μπορεί να έπαιξαν ρόλο στην εμφάνιση κυτταρική ζωή.

Αν και είναι πολύ νωρίς για να πούμε εάν το DAP έπαιξε πράγματι κάποιο ρόλο στην εμφάνιση ζωής από χημικές δομές, η πιθανότητα παραμένει συναρπαστική και αξίζει να διερευνηθεί.