Διαμορφώνοντας στο εργαστήριο συνθήκες λαβυρύνθου που βοηθούν στην κατανόηση της προέλευσης της ζωής στη Γη

Το ερώτημα πως διαμορφώθηκε η «χημεία της ζωής» στην αρχέγονη Γη, η έρευνα οδήγησε στην άποψη πως σημαντικό ρόλο έπαιξαν οι μικρές περιοχές με νερό που υπήρχε ενθυλακωμένο σε αυτές, κατά τις «θερμές περιόδους». Ως μια κατηγορία «φυτωρίων ζωής» θα μπορούσαν να θεωρηθούν οι γεμάτοι νερό μικροπόροι στους καυτούς βράχους, καθώς ήταν σε αυτές που θεωρείται ότι ξεκίνησε η ζωή στη Γη. Στο Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU), στο Μόναχο, μια ομάδα επιστημόνων έδειξαν ότι οι διαβαθμίσεις της θερμοκρασίας στο σύστημα των πόρων προωθούν την κυκλική αντιγραφή και την ανάδυση των νουκλεϊνικών οξέων.

Ας πάρουμε, όμως, τα πράγματα από την αρχή: Μια κρίσιμη προϋπόθεση, για να εμφανιστεί η ζωή επάνω στη Γη, είναι ότι τα σχετικά απλά βιομόρια, που συγκροτήθηκαν αρχικά, θα πρέπει να είχαν ευκαιρίες να διαμορφώσουν πιο σύνθετες δομές οι οποίες θα ήταν ικανές να αναπαραχθούν από μόνες τους και έτσι θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν γενετική πληροφορία σε μια χημικά σταθερή μορφή. Αυτό, όμως, το σενάριο απαιτεί κάποια μέσα όπου θα πρέπει υπήρξε συσσώρευση των πρόδρομων μορίων σε πολύ υψηλή συγκέντρωση στο διάλυμα. Στους πρώιμους ωκεανούς τέτοιες συνθέσεις θα πρέπει να είχαν παρουσία σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις. Εδώ εμφανίζεται ένα κενό. Πως λοιπόν έγινε δυνατό να διαμορφωθούν οι συνθήκες για διαλύματα υψηλής συγκέντρωσης; Η απάντηση που δίνει μια ομάδα φυσικών από το LMU, με επικεφαλής τον καθηγητή Dieter Braun, περιγράφει ένα περιβάλλον που προσφέρει τις απαραίτητες συνθήκες. Έδειξαν πειραματικά ότι το σύστημα πόρων στο θαλάσσιο πυθμένα που θερμάνθηκε από την ηφαιστειακή δραστηριότητα, θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως θάλαμος αντίδρασης για τη σύνθεση των μορίων RNA, που λειτουργούν ως φορείς κληρονομικής πληροφορίας στη σημερινή βιόσφαιρα.

Αναφέρει ο Braun: «Η απαίτηση κλειδί είναι ότι η πηγή θερμότητας βρίσκεται εντοπισμένη στο ένα άκρο ενός επιμήκους πόρου και έτσι το νερό σε αυτή την πλευρά είναι σημαντικά θερμότερο από ότι στη άλλη». Προσχηματισμένα βιομόρια που βρίσκονται διαλυμένα μέσα στον πόρο μπορούν να παγιδευτούν και να συμπυκνωθούν με τη δράση της θερμοκρασιακής διαβάθμισης. Έτσι ικανοποιείται ένα κύριο προαπαιτούμενο για το σχηματισμό και την αναπαραγωγή περισσότερο σύνθετων μοριακών δομών. Το φαινόμενο της μοριακής παγίδευσης είναι μια συνέπεια της θερμοφόρεσης: Φορτισμένα μόρια σε θερμοκρασιακές διαβαθμίσεις κατά προτίμηση κινούνται από τις θερμότερες στις ψυχρότερες περιοχές, επιτρέποντας τα μακρύτερα, κατά προτίμηση, πολυμερή να μένουν παγιδευμένα χωρίς δυνατότητα εξόδου. Αυτό είναι ένας σημαντικός παράγων στην εξέλιξη των νουκλεϊνικών οξέων, όπως το RNA και το DNA, απλά επειδή τα μακρομόρια μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερη γενετική πληροφορία.

Αυτό που έδειξαν ο Braun και οι συνεργάτες του, είναι ότι ο μηχανισμός που περιγράφτηκε προηγουμένως λειτουργεί και στο εργαστήριο. «Χρησιμοποιήσαμε μικροσκοπικούς γυάλινους τριχοειδείς σωλήνες για να κατασκευάσουμε ένα ανάλογο των φυσικών πόρων που βρίσκουμε στους βράχους, θερμάναμε τους πόρους από τη μια μεριά και επιτρέψαμε το νερό που περιείχε διαλυμένα τμήματα γραμμικού DNA με μεταβλητά μήκη να διηθηθεί μέσα από αυτά. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα μακριά τμήματα πράγματι παγιδεύτηκαν μέσα στους πόρους», εξήγησε ο Braun. «Πόροι που εκτέθηκαν σε θέρμανση συχνά βρίσκονταν σε σχηματισμούς πυρωμένων βράχων και βεβαίως ήταν κάτι κοινό σε βράχους με ηφαιστειακή προέλευση στην πρώιμη Γη. Έτσι αυτό το σενάριο είναι αρκετά ρεαλιστικό. Η επίδραση της θερμοκρασίας ενισχύθηκε από την παρουσία μετάλλων που συνυπήρχαν μέσα στο βράχο, που άγουν τη θερμότητα 100 φορές περισσότερο από ότι το νερό».

Δεν ήταν μόνο το γεγονός ότι τα νουκλεϊνικά οξέα παρέμεναν στον πόρο, ήταν επίσης ικανά, κάτω από αυτές τις συνθήκες, να δημιουργήσουν αντίγραφα. Στη θερμότερη ζώνη, διπλο-πλεγμένα τμήματα χωρίστηκαν σε δυο συστατικά τμήματα, μέσα σε λίγα λεπτά. Τα μονά κομμάτια μπορούν τότε να μεταφερθούν με συναγωγή (με κυκλική ροή κατά μήκος του πόρου κάθετα στην κατεύθυνση της θερμοκρασιακής διαβάθμισης) πίσω στην ψυχρότερη περιοχή του πόρου. Εδώ συναντούν τους χημικούς προδρόμους από τους οποίους φτιάχνεται το κάθε κομμάτι DNA, οι οποίοι είχαν τροφοδοτηθεί μέσα στον πόρο με συνεχή εισροή. Τα προσχηματισμένα τμήματα τότε, λειτουργούν ως πρότυπα για τον πολυμερισμό των συμπληρωματικών τμημάτων. Αυτός ο κύκλος έκανε δυνατή όχι μόνο την αναπαραγωγή των τμημάτων, αλλά επίσης τα επιμήκυνε «ράβοντας» τμήματα μαζί. Όταν τα νουκλεϊνικά οξέα συσσωρεύονται σε επίπεδα πέρα από την αποθηκευτική ικανότητα του πόρου, τα μόρια που είχαν πρόσφατα αναπαραχθεί μπορούν να «δραπετεύσουν» και να αποικήσουν σε συστήματα γειτονικών πόρων.

Έτσι, η ομάδα του LMU κατάφερε να κατασκευάσει ένα σύστημα που επιτρέπει αυτόνομη και συνεχή δαρβινική εξέλιξη όλο και περισσότερο σύνθετων βιομορίων, καθορίζοντας ρεαλιστικές συνθήκες κάτω από τις οποίες θα μπορούσε να εξελιχθεί η ζωή. «Η ζωή είναι ουσιαστικά ένα θερμοδυναμικό, εκτός-ισορροπίας, φαινόμενο. Για αυτό και η εμφάνιση των πρώτων μορφών ζωής απαιτεί μια τοπική ανισορροπία διαμορφωμένη από μια εξωτερική πηγή ενέργειας, για παράδειγμα μια διαφορά θερμοκρασίας που επιβάλλεται στο σύστημα από το έξω περιβάλλον», εξηγεί ο Dieter Braun. «Το ότι μπορεί να επιτευχθεί με τόσο απλό και κομψό τρόπο ήταν έκπληξη ακόμη και για εμάς. Η επιτυχία του έργου είναι μια μαρτυρία της στενής συνεργασίας μεταξύ όλων των μελών της ομάδας».

Πηγή: Ludwig-Maximilians-Universitaet

Περισσότερα στο άρθρο: Moritz Kreysing, Lorenz Keil, Simon Lanzmich, Dieter Braun. Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry, 2015