Επιστήμονες βρήκαν νέα στοιχεία βασικού συστατικού της ζωής κατά τη περίοδο της αρχής της

Πριν υπάρξουν τα κύτταρα στη Γη, απλοί, μικροί καταλύτες πιθανότατα ανέπτυξαν την ικανότητα να επιταχύνουν και να συγχρονίζουν τις χημικές αντιδράσεις που είναι απαραίτητες για να αναδυθεί η ζωή από την αρχέγονη σούπα. Αλλά, δεν έχει κατανοηθεί τι ήταν αυτοί οι καταλύτες, πώς εμφανίστηκαν ταυτόχρονα και πώς εξελίχθηκαν σε δύο σύγχρονες υπερ-οικογένειες ενζύμων που μεταφράζουν τον γενετικό μας κώδικα.

Στο Journal of Biological Chemistry, επιστήμονες από την Ιατρική Σχολή του UNC (University of North Carolina) παρέχουν την πρώτη άμεση πειραματική απόδειξη για το πώς αρχέγονες πρωτεΐνες ανέπτυξαν την ικανότητα να επιταχύνουν την κεντρική χημική αντίδραση που είναι απαραίτητη για να συντεθούν οι πρωτεΐνες και έτσι να γίνει δυνατό να προκύψει η ζωή, όχι πολύ καιρό μετά τη διαμόρφωση της Γης.

Το εύρημα αυτό παρέχει νέα βαθιά γνώση στα δραματικά κατασκευάσματα που διαμόρφωνε η φύση καθώς η προβιοτική χημεία εξελίχθηκε σε ζωή, πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Νωρίτερα αυτό το μήνα, ο Carter και ο συνάδελφός του στο UNC Richard Wolfenden (PhD) δημοσίευσαν στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών περισσότερα στοιχεία για το πώς τα αμινοξέα επιλέχθηκαν ώστε να ταιριάζουν με ένα γενετικό προσχέδιο για να σχηματίσουν πρωτεΐνες, τις μηχανές των ζώντων κυττάρων.

Αυτή η τελευταία εργασία παρέχει στοιχεία που αποδεικνύουν ότι οι δύο μεγάλες υπερ-οικογένειες ενζύμων που μεταφράζουν το γενετικό κώδικα στη σύγχρονη βιολογία, εξελίχθηκαν από αντίθετες έλικες του ίδιου εκπληκτικού προγονικού γονιδίου. «Βρήκαμε, εντελώς αναπάντεχα, ότι ένα αρχαίο γονίδιο πιθανώς να χρησιμοποίησε τις δύο αντίθετες έλικες του DNA για να κωδικοποιήσει διαφορετικούς καταλύτες που και οι δύο ενεργοποιούσαν αμινοξέα», δήλωσε ο Charles Carter. «Το πεπτίδιο που έγινε από τη μια έλικα ενεργοποίησε αυτά τα αμινοξέα που απαιτούνται για τα εσωτερικά μέρη των πρωτεϊνών και το πεπτίδιο που γίνεται από την άλλη έλικα ενεργοποίησε αυτά τα αμινοξέα που απαιτούνται για τα εξωτερικά μέρη των πρωτεϊνών».

Κατανοώντας την κατάλυση

Ένα βασικό εμπόδιο στη δημιουργία έμβιων όντων είναι η επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων που κανονικά εξελίσσονται πολύ αργά και με διαφορετικές ταχύτητες, έτσι ώστε όλες οι αντιδράσεις να προχωρούν με περίπου τον ίδιο ρυθμό στο εσωτερικό των κυττάρων. Από την άποψη αυτή, μια αντίδραση στη σύγχρονη βιοχημεία υψώνεται πάνω από τις άλλες ως εμπόδιο για το σχηματισμό της ζωής: Η αντίδραση που συνδυάζει αμινοξέα με τη τριφωσφορική αδενοσίνη, ή ΑΤΡ, ένα μόριο που μεταφέρει χημική ενέργεια στο εσωτερικό των κυττάρων. Ο συνδυασμός αυτός επιτρέπει πρωτεΐνες να συγκεντρώνονται αυθόρμητα. Χωρίς καταλύτη, η αντίδραση αυτή θα ήταν βραδύτερη, περίπου χίλιες φορές, από ότι οποιοδήποτε από τα άλλα βήματα στην σύνθεση πρωτεΐνης.

Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι στο εσωτερικό των σύγχρονων ζώντων κυττάρων υπάρχουν ένζυμα που ονομάζονται αμινοακυλο-tRNA συνθετάσες που επιταχύνουν δραματικά την αντίδραση αυτή. Όπως όλα τα ένζυμα, οι συνθετάσες, είναι εξαιρετικά εκλεπτυσμένες μηχανές. Ανήκουν σε δύο διαφορετικές οικογένειες: Οι συνθετάσες Τάξης Ι ενεργοποιούν το μισό των είκοσι αμινοξέων που συνδέονται μαζί για να σχηματίσουν πρωτεΐνες και οι συνθετάσες Τάξης II ενεργοποιούν το άλλο μισό.

Η ομάδα του Carter επινόησε πειράματα για να χωρίσουν φυσικά τις συνθετάσες για να δείξει ότι η αναγκαία καταλυτική δράση προέρχεται από μέρη των ενζύμων που μοιράζονται όλα τα μέλη της κάθε οικογένειας συνθετάσης: Τα μέρη που συνδέονται με την ΑΤΡ. Αυτά τα μέρη-αλυσίδες των 46 αμινοξέων-συνθέτουν περίπου το 5 έως 10% του συνολικού μεγέθους των σύγχρονων ενζύμων, αλλά παρουσιάζουν περισσότερο από το 40% του συνόλου των δραστηριοτήτων τους.

Ο Carter αποκαλεί αυτά τα θραύσματα ενζύμου Πρωτόζυμα (protozymes)-από την Ελληνική ρίζα “πρώτος”. Η ομάδα του βρήκε ότι η ενζυματική δραστικότητα αυτών των πρωτοζύμων εστιάζει στην ενεργοποίηση αντίδρασης με την ΑΤΡ.

Αυτή η καταλυτική δραστηριότητα σημαίνει ότι τα πρωτόζυμα ήταν σε θέση να σχηματίσουν πολύ σφιχτά συμπλέγματα με την ελάχιστη ευστάθεια, πιο αργά ώστε να σχηματίζουν δομές κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων που συμβαίνουν κατά την διάρκεια των χημικών αντιδράσεων που σχηματίζουν τις πρωτεΐνες. Αυτά σφιχτά συμπλέγματα ενζύμων μέσα σε αυτές τις «καταστάσεις μετάβασης», είπε ο Carter, θα ήταν πολύ απαραίτητα κατά τη διάρκεια της κατάλυσης και κατά συνέπεια για τη δημιουργία της πρώτης ζωής στη Γη.

Βοήθεια από συνθετικά στοιχεία

Ο Carter στη συνέχεια βοηθήθηκε από τον συνάδελφό του Brian Kuhlman (PhD) καθηγητή βιοχημείας και βιοφυσικής, για να δημιουργήσει «συνθετικά» πρωτόζυμα από ένα μόνο γονίδιο στο οποίο η μία έλικα κωδικοποιεί για ένα πρωτοζυμικό πρόγονο των συνθετάσεων τάξης Ι και η άλλη κωδικοποιεί για ένα πρωτοζυμικό πρόγονο συνθετάσεων τάξης ΙΙ. Παραδόξως, τα πειράματά τους αποκάλυψαν ότι και τα δύο συνθετικά πρωτόζυμα εμφάνισαν την ίδια καταλυτική δραστικότητα όπως έκαναν τα πρωτόζυμα που η ομάδα του Carter είχε απομονώσει από τις σύγχρονες συνθετάσες.

«Ανακαλύψαμε ότι η φύση έλυσε το πρόβλημα της ενεργοποίησης αμινοξέων, κατευθύνοντας να είναι εσωτερικά διπλωμένες πρωτεΐνες (τάξη I) και εξωτερικά διπλωμένες πρωτεΐνες (τάξη ΙΙ), με την ανάπτυξη ενός μόνο γονιδίου για να κάνει και τις δύο δουλειές», δήλωσε ο Carter. «Επιπλέον, τα πρωτόζυμα κατάφεραν να το κάνουν αυτό με τον πιο ασυνήθιστο τρόπο: Στηριζόμενα σε δύο εντελώς διαφορετικές ερμηνείες της ίδιας γενετικής πληροφορίας».

Σε προηγούμενες εργασίες του ο Carter για τα πρώιμα ένζυμα της Γης, είχε δείξει έντονα προς αυτή την κατεύθυνση. Αλλά η πρόσφατη έρευνα της ομάδας του σηματοδοτεί την πρώτη άμεση, πειραματική «απόδειξη της αρχής» μιας υπόθεσης που είχε προταθεί αρχικά το 1994 από δύο θεωρητικές εξελικτικούς βιολόγους-τους Sergei Rodinκαι Susumu Ohno-που είπαν ότι ένα γονίδιο θα μπορούσε κωδικοποιήσει διαφορετικές πρωτεΐνες από κάθε μία από τις δύο έλικές του.

«Έχουμε τώρα περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το πώς τα αμινοξέα τελικά εξελίχθηκαν σε πολύπλοκα μόρια απαραίτητα για τη δημιουργία της ζωής όπως την ξέρουμε», δήλωσε ο Carter. «Αλλά ίσως το πιο σημαντικό είναι ότι είμαστε σε θέση να παρέχουμε ένα νέο σύνολο εργαλείων που θα επιτρέψουν σε άλλους να προσεγγίσουν ερωτήματα σχετικά με την προέλευση της ζωής με τρόπους που είναι επιστημονικά ορθοί και παραγωγικοί».

Εξακολουθούν να υπάρχουν ερωτήματα σχετικά με το πώς συνέβησαν όλα αυτά. «Αυτό που βρήκαμε δεν έχει ακόμη επιλύσει το κεντρικό πρόβλημα της κότας και του αυγού», δήλωσε ο Carter. «Ακόμη και το σχεδιασμένο πρωτόζυμο απαιτεί ένα ριβόσωμα να το συνθέσει και να οδηγήσει σε δημιουργία πρωτεϊνών. Αλλά αυτό που έχουμε δείξει είναι ότι τα προσχέδια για τη ζωή περιείχαν ουσιαστικά περισσότερες πληροφορίες από ότι είχε αντιληφθεί κάποιος, επειδή και οι δύο έλικες του προγονικού γονιδίου ήταν υπεύθυνες για την κωδικοποίηση των δύο κατηγοριών συνθετάσεων που απαιτούνται για τη δημιουργία των πρωτεϊνών».

Το αποτέλεσμα αυτό ενοποιεί αυτό που οι επιστήμονες προηγουμένως θεωρούσαν ως δύο ξεχωριστές υπεροικογένειες των σύγχρονων ενζύμων και απλοποιεί σημαντικά τη σύνθετη διαδικασία του σχηματισμού της πολυμορφίας των καταλυτών που είναι απαραίτητοι για τη ζωή: και οι δύο καταλύτες ήταν διαθέσιμοι τον ίδιο χρόνο και στο ίδιο μέρος, πριν υπάρξουν κύτταρα για να πακετάρουν το μηχανισμό της ζωής.

Πηγή: University of North Carolina

Περισσότερα στην εργασία: Functional Class I and II Amino Acid Activating Enzymes Can Be Coded by Opposite Strands of the Same Gene, Journal of Biological Chemistry, Published on June 18, 2015