Νέα στοιχεία σχετικά με την προέλευση της ζωής στη Γη ξεπροβάλουν από εργασίες επιστημόνων

Στην αρχή, υπήρχαν οι απλές χημικές ουσίες και παρήγαγαν αμινοξέα τα οποία τελικά έγιναν πρωτεΐνες απαραίτητες για τη δημιουργία απλών κυττάρων και τα απλά κύτταρα έγιναν τα φυτά και τα ζώα.

Πρόσφατη έρευνα αποκαλύπτει πώς η αρχέγονη σούπα δημιούργησε τους δομικούς λίθους των αμινοξέων και υπάρχει ευρεία επιστημονική συναίνεση σχετικά με την εξέλιξη από το πρώτο κύτταρο στα φυτά και ζώα. Αλλά είναι ακόμα ένα μυστήριο το πώς οι δομικοί λίθοι συναρμολογήθηκαν για πρώτη φορά σε πρωτεΐνες που διαμόρφωσαν τη μηχανική όλων των κυττάρων. Τώρα, δύο επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας-οι Richard Wolfenden (PhD) και Charles Carter ( PhD)-φώτισαν εκ νέου τη μετάβαση από τα δομικά στοιχεία στη ζωή, πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια.

Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν σε εργασίες στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS-από Proceedings of the National Academy of Sciences), αντιτάσσονται στη προβληματική θεωρία «κόσμος RNA», η οποία προϋποθέτει ότι το RNA-το μόριο που διαδραματίζει σήμερα ρόλο στην κωδικοποίηση, τη ρύθμιση και την έκφραση των γονιδίων-αναδύθηκε από την αρχέγονη σούπα των αμινοξέων και των κοσμικών χημικών για να οδηγήσει πρώτα στις βραχείες πρωτεΐνες, που ονομάζονται πεπτίδια και στη συνέχεια στους μονοκύτταρους οργανισμούς.

«Η εργασία μας δείχνει ότι η στενή σχέση μεταξύ των φυσικών ιδιοτήτων των αμινοξέων, του γενετικού κώδικα και της αναδίπλωσης της πρωτεΐνης, ήταν πιθανό ουσιαστική από την αρχή, πολύ πριν τα μεγάλα, πολύπλοκα μόρια εμφανιστούν στην σκηνή», δήλωσε ο Carter, καθηγητής βιοχημείας και βιοφυσικής στη σχολή της ιατρικής του UNC. «Αυτή η στενή αλληλεπίδραση ήταν πιθανό ο παράγοντας κλειδί για την εξέλιξη από τους δομικούς λίθους στους οργανισμούς». Το εύρημα αυτό προσθέτει ένα νέο στάδιο στην ιστορία του πώς εξελίχτηκε η ζωή, πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

LUCA είναι το όνομά του: Η επιστημονική κοινότητα αναγνωρίζει ότι 3,6 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, υπήρξε ο τελευταίος παγκόσμιος κοινός πρόγονο, σύντομα LUCA (από τα αρχικά της φράσης: last universal common ancestor), όλων των έμβιων όντων σήμερα στη Γη. Πιθανώς ήταν ένας μονοκύτταρος οργανισμός. Είχε μερικές εκατοντάδες γονίδια. Είχε ήδη πλήρη προσχέδια για την αντιγραφή του DNA, την πρωτεϊνική σύνθεση και τη μεταγραφή του RNA. Είχε όλα τα βασικά συστατικά-όπως τα λιπίδια-που έχουν οι σύγχρονοι οργανισμοί. Από την πορεία προόδου του LUCA, είναι σχετικά εύκολο να δούμε πώς εξελίχθηκε η ζωή όπως την ξέρουμε.

Πριν από 3,6 δισεκατομμύρια χρόνια, ωστόσο, δεν υπάρχουν ισχυρά στοιχεία για το πώς προέκυψε ο LUCA από το καζάνι των χημικών που έβραζαν, το οποίο σχηματίστηκε στη Γη μετά από τη δημιουργία του πλανήτη, πριν από περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτές οι χημικές ουσίες αντέδρασαν για να σχηματίσουν αμινοξέα, τα οποία παραμένουν οι δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών στα κύτταρά μας, σήμερα. «Ξέρουμε πολλά για τον LUCA και αρχίζουμε να μαθαίνουμε για τη χημεία που παρήχθησαν δομικοί λίθοι, όπως τα αμινοξέα, αλλά μεταξύ των δύο υπάρχει μια έρημος γνώσης», δήλωσε ο Carter. «Δεν γνωρίζουμε ακόμη πώς να την εξερευνήσουμε».

Η έρευνα του UNC αντιπροσωπεύει μια προφυλακή σε αυτή την έρημο. «Ο Dr. Wolfenden εξακρίβωσε τις φυσικές ιδιότητες είκοσι αμινοξέων και βρήκαμε ένα σύνδεσμο μεταξύ αυτών των ιδιοτήτων και του γενετικού κώδικα», είπε ο Carter. «Αυτός ο σύνδεσμος μας υποδηλώνει ότι υπήρξε ένας δεύτερος, προϋπάρχων κώδικας που κατέστησε δυνατές τις αλληλεπιδράσεις πεπτιδίου-RNA, απαραίτητες για να ξεκινήσει μια διαδικασία επιλογής που μπορούμε να φανταζόμαστε να δημιουργεί την πρώτη ζωή στη Γη». Έτσι, είπε ο Carter, το RNA δεν έπρεπε να εφεύρει τον εαυτό του από την αρχέγονη σούπα. Αντί αυτού, ακόμη και πριν υπάρξουν κύτταρα, φαίνεται πιο πιθανό ότι υπήρχαν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αμινοξέων και τα νουκλεοτιδίων που οδήγησαν στη συν-δημιουργία των πρωτεϊνών και του RNA.

Από την απλότητα στην πολυπλοκότητα: Οι πρωτεΐνες πρέπει να διπλώνουν με συγκεκριμένους τρόπους για να λειτουργήσουν κατάλληλα. Η πρώτη εργασία στα PNAS, με επικεφαλής τον Wolfenden, δείχνει ότι τόσο οι πολικότητες των είκοσι αμινοξέων, όσο και τα μεγέθη τους βοηθούν για να εξηγηθεί η πολύπλοκη διαδικασία της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών, όταν η ίδια αλυσίδα των συνδεδεμένων αμινοξέων διαμορφώνει τον εαυτό της για να σχηματίσει μια ειδική τρισδιάστατη δομή που έχει μια συγκεκριμένη βιολογική λειτουργία.

«Τα πειράματά μας δείχνουν πώς οι πολικότητες των αμινοξέων αλλάζουν σταθερά σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών με τρόπους που δεν θα διαταράξουν τις βασικές σχέσεις μεταξύ γενετικής κωδικοποίησης και αναδίπλωσης των πρωτεϊνών», είπε ο Wolfenden. Αυτό ήταν σημαντικό να πιστοποιηθεί, επειδή όταν η ζωή σχηματίστηκε για πρώτη φορά στη Γη, οι θερμοκρασίες ήταν υψηλές, ίσως πολύ θερμότερες από ότι είναι τώρα ή όταν διαμορφώθηκαν τα πρώτα φυτά και τα ζώα.

Μια σειρά βιοχημικών πειραμάτων με αμινοξέα που διεξήχθησαν στο εργαστήριο του Wolfenden, έδειξαν ότι δύο ιδιότητες-τα μεγέθη καθώς και οι πολικότητες των αμινοξέων-ήταν αναγκαίες και επαρκείς για να εξηγήσουν πώς τα αμινοξέα συμπεριφέρθηκαν σε αναδιπλωμένες πρωτεΐνες και ότι αυτές οι σχέσεις, επίσης, πραγματοποιήθηκαν στις υψηλότερες θερμοκρασίες της Γης 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Η δεύτερη εργασία που δημοσιεύθηκε στα PNAS, με επικεφαλής τον Carter, μελετά πώς ένζυμα που ονομάζονται αμινοακυλο-tRNA συνθετάσες αναγνώρισαν μεταφορικό ριβονουκλεϊκό οξύ, ή tRNA. Αυτά τα ένζυμα μεταφράζουν το γενετικό κώδικα. «Σκεφτείτε το tRNA ως προσαρμογέα», είπε ο Carter. «Το ένα άκρο του προσαρμογέα φέρει ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. Το άλλο άκρο διαβάζει το γενετικό προσχέδιο για αυτό το αμινοξύ στον αγγελιοφόρο-RNA. Κάθε συνθετάση ταιριάζει με ένα από τα είκοσι αμινοξέα με το δικό του προσαρμογέα, έτσι ώστε το γενετικό σχεδιάγραμμα στον αγγελιαφόρο-RNA να κάνει κάθε φορά πιστά τη σωστή πρωτεΐνη».

Η ανάλυση του Carter δείχνει ότι οι δύο διαφορετικές άκρες του, σχήματος L, μορίου tRNA περιείχαν ανεξάρτητους κώδικες ή κανόνες που καθορίζουν ποια από τα αμινοξέα να επιλεγούν. Το τέλος του tRNA που έφερε το αμινοξύ ταξινόμησε τα συγκεκριμένα αμινοξέα ανάλογα με το μέγεθος. Το άλλο άκρο του, σχήματος L, μορίου tRNA ονομάζεται αντικωδικόνιο tRNA. Διαβάζει κωδικόνια, τα οποία είναι αλληλουχίες από τρία νουκλεοτίδια του RNA, σε γενετικά μηνύματα που επιλέγουν αμινοξέα αν με άλογα με την πολικότητα.

Τα ευρήματα των Wolfenden και Carter σημαίνουν ότι οι σχέσεις μεταξύ των tRNA και των φυσικών ιδιοτήτων των αμινοξέων-τα μεγέθη και οι πολικότητες-ήταν ζωτικής σημασίας κατά τη διάρκεια της αρχέγονης εποχής της Γης. Υπό το φως των προηγούμενων εργασιών του Carter με πολύ μικρούς ενεργούς πυρήνες από συνθετάσες tRNA που ονομάζονται Urzymes (θεωρούνται αξιόπιστα μοντέλα προγονικών ενζύμων), τώρα φαίνεται πιθανό ότι η επιλογή με το μέγεθος προηγήθηκε από την επιλογή σύμφωνα με την πολικότητα. Αυτό διατεταγμένη επιλογή σημαίνει ότι οι πρώτες πρωτεΐνες δεν διπλώθηκαν απαραίτητα σε μοναδικά σχήματα και ότι το μοναδικές δομές τους εξελίχθηκαν αργότερα.

Ο Carter είπε: «Η μετάφραση του γενετικού κώδικα είναι ο σύνδεσμος που συνδέει την προ-βιοτική χημεία με τη βιολογία». Αυτός και ο Wolfenden πιστεύουν ότι το ενδιάμεσο στάδιο της γενετικής κωδικοποίησης μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση δύο παράδοξων: πώς η πολυπλοκότητα προέκυψε από την απλότητα και πώς η ζωή διαχώρισε την εργασία μεταξύ των δύο πολύ διαφορετικών ειδών πολυμερών: τις πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα.

«Το γεγονός ότι η γενετική κωδικοποίηση αναπτύχθηκε σε δύο διαδοχικές φάσεις-η πρώτη από τις οποίες ήταν σχετικά απλή-μπορεί να είναι ένας λόγος για τον οποίο η ζωή ήταν σε θέση να προκύψει, ενώ η Γη ήταν ακόμα αρκετά νέα», σημείωσε ο Wolfenden. Ένας προηγούμενος κώδικας, που επέτρεψε τα πρώιμα κωδικοποιημένα πεπτίδια να δεσμεύουν το RNA, μπορεί να εφοδίασε με ένα αποφασιστικό επιλεκτικό πλεονέκτημα. Και αυτό το πρωταρχικό σύστημα θα μπορούσε στη συνέχεια να υποβληθεί μια φυσική διαδικασία επιλογής, δίνοντας το έναυσμα για μια νέα και πιο βιολογική μορφή της εξέλιξης.

«Η συνεργασία μεταξύ RNA και πεπτίδια ήταν πιθανότερο αναγκαία για την αυθόρμητη ανάδυση της πολυπλοκότητας», πρόσθεσε ο Carter. «Κατά την άποψή μας, ήταν ένας κόσμος πεπτίδιου-RNA, όχι ένας κόσμος RNA μόνο».

Πηγή: University of North Carolina

Περισσότερα στα άρθρα: Temperature dependence of amino acid hydrophobicities, και tRNA acceptor stem and anticodon bases form independent codes related to protein folding, στα Proceedings of the National Academy of Sciences