Ένα μόριο RNA που σχεδόν αυτο-αντιγράφεται ίσως είναι το κλειδί για την προέλευση της ζωής
Σύμφωνα με την υπόθεση του “κόσμου του RNA”, η ζωή ξεκίνησε όταν τα μόρια RNA ανέπτυξαν την ικανότητα να δημιουργούν περισσότερα αντίγραφα του εαυτού τους. Τώρα, ανακαλύψαμε ένα μόριο RNA που είναι σχεδόν ικανό να το κάνει αυτό – μπορεί να εκτελέσει τα βασικά βήματα που απαιτούνται, απλώς όχι όλα ταυτόχρονα.
“Ήταν μια μακρά αναζήτηση για να φτάσουμε στο σημείο όπου μπορείς να πείσεις τον εαυτό σου ότι το RNA έχει την ικανότητα να δημιουργηθεί μόνο του υπό τις κατάλληλες συνθήκες. Νομίζω ότι αυτό δείχνει ότι είναι δυνατό”, λέει ο Philipp Holliger στο Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας MRC στο Cambridge, Ηνωμένο Βασίλειο.
Στα ζωντανά κύτταρα, οι πρωτεΐνες εκτελούν βασικές εργασίες, όπως η κατάλυση χημικών αντιδράσεων, και οι συνταγές για την παραγωγή τους αποθηκεύονται σε δίκλωνες αλυσίδες DNA. Το RNA είναι ένας χημικός εξάδελφος του DNA που συνήθως υπάρχει με τη μορφή μονόκλωνων αλυσίδων.
Δεν είναι τόσο καλό για την αποθήκευση πληροφοριών όσο το DNA επειδή είναι λιγότερο σταθερό, αλλά μπορεί να κάνει κάτι που το DNA δεν μπορεί: να διπλωθεί για να σχηματίσει πρωτεϊνικά ένζυμα που μπορούν να καταλύσουν χημικές αντιδράσεις. Επειδή το RNA μπορεί τόσο να αποθηκεύσει πληροφορίες όσο και να δράσει ως καταλύτης, προτάθηκε ήδη από τη δεκαετία του 1960 ότι η ζωή μπορεί να ξεκίνησε με μόρια RNA ικανά να καταλύσουν το δικό τους σχηματισμό.
Ωστόσο, η εύρεση τέτοιων μορίων αποδείχθηκε πραγματικά δύσκολη. Οι ερευνητές υπέθεταν για καιρό ότι τα αυτο-αναπαραγόμενα RNA πρέπει να είναι σχετικά μεγάλα και πολύπλοκα, αλλά αποδεικνύεται ότι είναι πολύ δύσκολο να ξεδιπλωθούν μεγάλα RNA για να αναπαραχθούν.
Επιπλέον, ενώ έχει αποδειχθεί ότι σχετικά μικρά μόρια RNA μπορούν να σχηματιστούν αυθόρμητα στις κατάλληλες συνθήκες, μεγάλα μόρια είναι πολύ απίθανο να το έχουν κάνει.
“Αυτό μας έκανε να σκεφτούμε, λοιπόν, ίσως κάνουμε λάθος. Ίσως κάτι απλό, κάτι μικρό, θα μπορούσε να εκτελέσει αυτή τη διαδικασία”, λέει ο Holliger. “Και έτσι ψάξαμε και βρήκαμε ένα.”
Τα RNA αποτελούνται από δομικά στοιχεία που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Η ομάδα ξεκίνησε δημιουργώντας ένα τρισεκατομμύριο τυχαίες αλληλουχίες που είχαν μήκος 20, 30 ή 40 νουκλεοτίδια. Από αυτά, επέλεξαν τρία που μπορούσαν να εκτελέσουν αντιδράσεις όπως η σύνδεση νουκλεοτιδίων μεταξύ τους. Τα τρία συνδέθηκαν μεταξύ τους και υποβλήθηκαν σε αρκετούς γύρους εξέλιξης – αλλάζοντας τυχαία, ή μεταλλάσσοντας, μέρη της αλληλουχίας και επιλέγοντας τις παραλλαγές με την καλύτερη απόδοση.
Το προκύπτον μόριο, που ονομάζεται QT45, έχει μήκος μόλις 45 νουκλεοτίδια. Σε αλκαλικό νερό που είναι λίγο πάνω από το μηδέν, μπορεί να χρησιμοποιήσει μονόκλωνο RNA ως πρότυπο για την κατασκευή συμπληρωματικών αλυσίδων συνδέοντας μικρές αλυσίδες δύο ή τριών νουκλεοτιδίων, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας μιας αλληλουχίας συμπληρωματικής προς τη δική του. “Είναι προς το παρόν αρκετά αργό και χαμηλής απόδοσης, αλλά αυτό δεν προκαλεί έκπληξη”, λέει ο Holliger.
Το QT45 μπορεί επίσης να δημιουργήσει περισσότερα αντίγραφα του εαυτού του από αυτές τις συμπληρωματικές αλυσίδες. “Αυτό είναι, για πρώτη φορά, ένα κομμάτι RNA που μπορεί να δημιουργήσει τον εαυτό του και την κωδικοποιητική του αλυσίδα, και αυτές είναι οι δύο συστατικές αντιδράσεις της αυτο-αναπαραγωγής”, λέει ο Holliger. Αλλά μέχρι στιγμής, η ομάδα δεν έχει καταφέρει να κάνει και τις δύο αντιδράσεις να συμβούν στο ίδιο δοχείο. Το σχέδιο είναι τώρα να εξελίξουν περαιτέρω το μόριο και να πειραματιστούν με συνθήκες όπως οι κύκλοι κατάψυξης-απόψυξης για να δουν αν και οι δύο αντιδράσεις θα μπορούσαν να συμβούν ταυτόχρονα.
“Το πιο συναρπαστικό είναι ότι, μόλις το σύστημα αρχίσει να αυτο-αναπαράγεται, θα πρέπει να γίνει αυτο-βελτιστοποιούμενο”, λέει ο Holliger. Αυτό συμβαίνει επειδή η διαδικασία, που είναι γεμάτη λάθη, θα παράγει πολλές παραλλαγές, μερικές από τις οποίες μπορεί να λειτουργήσουν καλύτερα, παράγοντας περισσότερες από τον εαυτό τους, και ούτω καθεξής.
“Τα νέα αποτελέσματα από το εργαστήριο Holliger είναι εξαιρετικά και μια σημαντική πρόοδος, ωθώντας τα πράγματα ακόμη πιο κοντά σε ένα πλήρως αυτο-αναπαραγόμενο RNA”, λέει η Sabine Müller στο Πανεπιστήμιο του Greifswald στη Γερμανία.
“Ίσως η πιο σημαντική πτυχή αυτού του ευρήματος είναι η ανακάλυψη μιας αλληλουχίας ολιγομερούς RNA μετρίου μεγέθους με αυτές τις ικανότητες αυτο-σύνθεσης”, λέει ο Zachary Adam στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison.
Ο αριθμός μόνο των αλληλουχιών RNA μήκους 45 νουκλεοτιδίων είναι “ασύλληπτα μεγάλος”, επισημαίνει ο Adam, οπότε η ομάδα τα κατάφερε καλά βρίσκοντας το QT45 από ένα σημείο εκκίνησης μόλις ενός τρισεκατομμυρίου τυχαίων αλληλουχιών.
Στην πρώιμη Γη, μόρια παρόμοια με το QT45 ίσως ήταν ικανά να αυτο-αναπαραχθούν σε ένα περιβάλλον παρόμοιο με τη σημερινή Ισλανδία, λέει ο Holliger, με την παρουσία πάγου, αλλά και υδροθερμική δραστηριότητα για να οδηγήσουν σε κύκλους κατάψυξης-απόψυξης και να δημιουργήσουν κλίσεις pH. Θα χρειαζόταν κάποιο είδος διαμερισματοποίησης για να απομονωθούν τα βασικά συστατικά, σκέφτεται, αλλά υπάρχουν πολλοί τρόποι για να συμβεί αυτό, από θύλακες λιωμένου νερού στον πάγο έως κυψελωτά κυστίδια που σχηματίζονται αυθόρμητα από λιπαρά οξέα.