Πρωτεΐνες Πρίον: Το Μυστικό για την Προέλευση της Ζωής;
Αναρωτιόμαστε εδώ και καιρό πώς συγκροτήθηκαν οι πρώτοι ζωντανοί οργανισμοί στη Γη. Τώρα, εκπληκτικά στοιχεία υποδεικνύουν ότι οι παρεξηγημένες πρωτεΐνες πριόν μπορεί να ήταν το ζωτικό συστατικό που έλειπε.
Το 1944, ο Erwin Schrödinger δημοσίευσε ένα βιβλίο με τίτλο “Τι είναι η Ζωή;”. Ο φυσικός, διάσημος για τη γάτα του που είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή, προφανώς απολάμβανε τους γρίφους. Σήμερα, ακόμα δεν υπάρχει ένας καλός ορισμός. Γενικά, συμφωνείται ότι η ζωή απαιτεί τουλάχιστον δύο πράγματα: μεταβολισμό και αναπαραγωγή. Όμως, το πώς η χημεία μεταμορφώθηκε σε βιολογία δισεκατομμύρια χρόνια πριν είναι ένα θέμα ανοιχτό σε συζήτηση.
Τώρα, ένας εκπληκτικός υποψήφιος έχει αναδειχθεί ως ο καταλύτης για την έναρξη της πρώτης ζωής – και είναι ένας που συνήθως συνδέουμε με θανατηφόρες ασθένειες.
Οι πρόοδοι στη μοριακή γενετική έχουν αποκαλύψει ότι όλα τα έμβια όντα στη Γη κατάγονται από έναν ενιαίο οργανισμό που ονομάζεται τελευταίος κοινός καθολικός πρόγονος, ή LUCA, ο οποίος εμφανίστηκε περίπου πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Γνωρίζουμε επίσης ότι ο πλανήτης μας είναι περίπου 4,5 δισεκατομμυρίων ετών. Κατά τη διάρκεια αυτών των πρώτων μισών δισεκατομμυρίων ετών, απλά, και στη συνέχεια πιο περίπλοκα, οργανικά μόρια συντέθηκαν αυθόρμητα και συναρμολογήθηκαν σε μεγαλύτερα σύμπλοκα, εξελισσόμενα τελικά στον πρωτόγονο, μονοκύτταρο LUCA. Πώς συνέβη αυτό;
Οι βιολόγοι συζητούν εδώ και καιρό ποιο βασικό μόριο της ζωής εμφανίστηκε πρώτο. Το RNA – ένας ξάδελφος του DNA – ήταν ένα από τα φαβορί, επειδή ορισμένα RNA μπορεί να είναι σε θέση να αντιγραφούν. Ωστόσο, αυτά τα μόρια φαίνονται πολύ ασταθή για να εξελιχθούν σε ζωή. Μια άλλη πιθανότητα είναι οι πρωτεΐνες. Εδώ, το πρόβλημα είναι ότι δεν μπορούν να αναπαραχθούν. Τώρα, ορισμένοι ερευνητές προτείνουν μια λύση σε αυτά τα εμπόδια – και προέρχεται από ένα απροσδόκητο μέρος.
Τι είναι οι Πρωτεΐνες Πριόν;
Οι πρωτεΐνες πριόν είναι παράξενες πρωτεΐνες, που αρχικά κατηγορήθηκαν ως παράγοντες μολυσματικών νευροεκφυλιστικών ασθενειών όπως το kuru και το scrapie. Έτσι, ως ιολόγος, άρχισα να ενδιαφέρομαι για αυτές. Όμως, έχει γίνει φανερό ότι οι πρωτεΐνες πριόν δεν είναι, στην πραγματικότητα, μια κακόβουλη σπανιότητα, αλλά βρίσκονται σε πολλούς οργανισμούς, παίζοντας πληθώρα κρίσιμων ρόλων, από το ανοσοποιητικό σύστημα έως τον σχηματισμό μνήμης. Θα μπορούσαν επίσης να είναι το κομμάτι που λείπει στο παζλ της προέλευσης της ζωής;
Η ζωή απαιτεί μεταβολισμό – την ικανότητα εισαγωγής χρήσιμων μορίων από το περιβάλλον και αποβολής άχρηστων προϊόντων. Αυτό επιτρέπει στους οργανισμούς να παράγουν ενέργεια για να αναπτυχθούν, να επιμείνουν και να ανταποκριθούν στο περιβάλλον τους. Αλλά η αντοχή δεν είναι αρκετή: η ζωή πρέπει επίσης να αναπαραχθεί. Όπως το θέτει ποιητικά ο François Jacob στο βιβλίο του “Η Λογική της Ζωής”: «Τα πάντα σε ένα έμβιο ον επικεντρώνονται στην αναπαραγωγή. Ένα βακτήριο, μια αμοιβάδα, μια φτέρη – τι μοίρα μπορούν να ονειρευτούν εκτός από το να σχηματίσουν δύο βακτήρια, δύο αμοιβάδες ή πολλές περισσότερες φτέρες;».
Στην αρχή, η αναπαραγωγή σήμαινε απλώς μόρια που μπορούσαν να αντιγράψουν τον εαυτό τους ή που θα μπορούσαν να αντιγραφούν αλληλεπιδρώντας με άλλα μόρια. Αυτό τους έδωσε μια ευκαιρία να επιμείνουν παρά την αναπόφευκτη υποβάθμιση που συμβαίνει με την πάροδο του χρόνου. Δεν θα υπήρχε ζωή αν δεν είχαν εμφανιστεί μεταβολίζοντα, αναπαραγόμενα μόρια. Το πώς συνέβη αυτό είναι ένα κεντρικό ερώτημα για τους επιστήμονες που εργάζονται στην αβιογένεση – την εμφάνιση της ζωής από άψυχα χημικά.
Πότε Εμφανίστηκε η Ζωή
Ένας από τους πρώτους ανθρώπους που εξερεύνησαν αυτό το ερώτημα ήταν ο Stanley Miller. Ως διδακτορικός φοιτητής τη δεκαετία του 1950, προσχώρησε στο εργαστήριο του χημικού και βραβευμένου με Νόμπελ Harold Urey στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Στη συνέχεια, ο Miller έπεισε έναν απρόθυμο Urey να του επιτρέψει να δοκιμάσει την υπόθεσή του ότι η ζωή ξεκίνησε σε λίμνες πλούσιες σε άλατα, όταν η ατμόσφαιρα περιείχε υδρογόνο, αμμωνία και μεθάνιο, με τον ηλεκτρισμό από τους κεραυνούς να παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια. Για να το κάνει αυτό, ο Miller κατασκεύασε μια συσκευή που αναδημιούργησε αυτές τις συνθήκες. Μετά από αρκετές ημέρες συνεχών ηλεκτρικών εκκενώσεων, διαπίστωσε ότι είχαν σχηματιστεί αρκετά αμινοξέα, πανομοιότυπα με αυτά που αποτελούν τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών σήμερα. Αυτό το αποτέλεσμα δημοσιεύθηκε στο Science και έγινε ένα κλασικό στη βιολογία γνωστό ως πείραμα Miller-Urey, παρόλο που ο Urey αρνήθηκε τη συγγραφή της εργασίας για να δώσει στον Miller πλήρη πίστωση.
Έκτοτε, μια σειρά από περιβάλλοντα έχουν προταθεί ως το μέρος όπου ξεκίνησε η ζωή. Η υπόθεση της ρηχής λίμνης εξακολουθεί να ευνοείται από ορισμένους. Υποστηρίζουν ότι η τακτική εναλλαγή μεταξύ πλούσιου σε υπεριώδη ακτινοβολία φωτός και σκότους και μεταξύ υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών που προκαλείται από την περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της δημιούργησε τους κύκλους σύνθεσης ακολουθούμενης από απόσβεση των χημικών αντιδράσεων που απαιτούνται για τη σταθεροποίηση της παραγωγής πολύπλοκων οργανικών μορίων.
Μικρόβια έχουν βρεθεί στις θερμές πηγές του Yellowstone, υποστηρίζοντας την υπόθεση ότι η ζωή μπορεί να είχε σχηματιστεί για πρώτη φορά σε ρηχές λίμνες όταν η Γη ήταν νέα Zack Frank/Shutterstock
Ωστόσο, οι περισσότεροι ειδικοί πιστεύουν τώρα ότι η ζωή ξεκίνησε σε υδροθερμικούς αγωγούς στους ωκεανούς ή σε θερμές πηγές όπου η θερμοκρασία, η πίεση και η χημική σύσταση θα προωθούσαν τον σχηματισμό αυτών των μορίων. Στο ωκεάνιο σενάριο, υποτίθεται ότι η ταχεία πτώση της θερμοκρασίας μεταξύ του αγωγού και του περιβάλλοντος κρύου νερού παρείχε την απαραίτητη απόσβεση. Αν και το πείραμα του Miller υπέδειξε ότι η ζωή ξεκίνησε με πρωτεΐνες, τώρα η κορυφαία ιδέα είναι ότι το RNA ήρθε πρώτο.
Η Υπόθεση του Κόσμου του RNA
Αυτή η υπόθεση του κόσμου του RNA ανάγεται στη δεκαετία του 1960, όταν πρωτοστάτησε από πολλούς σημαίνοντες επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένου του Francis Crick, συν-ανακαλύπτη της δομής του DNA. Ένας λόγος για τον οποίο ήταν τόσο ανθεκτική είναι ότι αντιμετωπίζει τα ζητήματα τόσο του μεταβολισμού όσο και της αναπαραγωγής. Το RNA είναι ένα γραμμικό μόριο που αποτελείται από δομικά στοιχεία που ονομάζονται νουκλεοτίδια κατασκευασμένα από δύο τύπους βάσεων – πουρίνες και πυριμιδίνες – και ένα σάκχαρο που ονομάζεται ριβόζη.
Αυτά τα οργανικά συστατικά σχηματίστηκαν αυθόρμητα και στη συνέχεια συνδέθηκαν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν RNA, σύμφωνα με την υπόθεση του κόσμου του RNA. Τα γραμμικά μόρια RNA μπορούν να διπλωθούν σε τρισδιάστατα σχήματα που δίνουν σε ορισμένα από αυτά – που ονομάζονται ριβοένζυμα – τις ικανότητες των ενζύμων. Αυτό είναι κρίσιμο επειδή τα ένζυμα καταλύουν απαραίτητες βιοχημικές αντιδράσεις που μπορούν να προχωρήσουν μόνο με αυτά: δεν θα υπήρχε μεταβολισμός χωρίς ένζυμα. Στους σημερινούς οργανισμούς, ορισμένα ένζυμα είναι ακόμα ριβοένζυμα, αν και τα περισσότερα είναι τώρα πρωτεΐνες.
Ένα άλλο επιχείρημα υπέρ του κόσμου του RNA είναι ότι το RNA, όπως το DNA, μπορεί να κωδικοποιήσει γενετικές πληροφορίες – τη βάση για τη Δαρβινική εξέλιξη. Η σειρά των νουκλεοτιδίων σε ένα σκέλος RNA σχηματίζει έναν κώδικα που αντιγράφεται όταν το μόριο αντιγράφεται. Όπως η αντιγραφή του DNA, αυτό απαιτεί ένζυμα που ονομάζονται πολυμεράσες. Σήμερα, όλα αυτά είναι πρωτεΐνες, αλλά, δεδομένου ότι δεν θα υπήρχαν πρωτεΐνες σε έναν κόσμο RNA, η υπόθεση απαιτεί ότι, τότε, ορισμένα ριβοένζυμα θα λειτουργούσαν ως πολυμεράσες RNA.
Αρκετοί επιστήμονες έχουν προσπαθήσει να αναδημιουργήσουν τέτοια ριβοένζυμα. Για παράδειγμα, το 2023, η Annalena Salditt στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου στη Γερμανία και οι συνεργάτες της δημιούργησαν ριβοένζυμα που θα μπορούσαν να αντιγράψουν βραχέα μόρια RNA, συμπεριλαμβανομένου του ίδιου του ριβοενζύμου, δημιουργώντας περισσότερα ριβοένζυμα. Άλλοι έχουν επινοήσει ακόμη και κομψά πειράματα στα οποία τα πρωτόγονα ριβοένζυμα θα μπορούσαν να μεταλλαχθούν και να εξελιχθούν, αποκτώντας νέες ενζυματικές δραστηριότητες.
Η υπόθεση του κόσμου του RNA έχει ορισμένα ελαττώματα, ωστόσο. Ένα σημαντικό είναι ότι τα μόρια RNA είναι πολύ ασταθή στο νερό, πράγμα που σημαίνει ότι θα είχαν υποβαθμιστεί γρήγορα στο είδος του περιβάλλοντος όπου ξεκίνησε η ζωή. Για να επιβιώσουν, θα έπρεπε να προστατευτούν από πρωτεΐνες, αλλά, εξ ορισμού, δεν θα υπήρχαν πρωτεΐνες σε έναν κόσμο RNA. Για να το παρακάμψουν αυτό, αρκετοί ερευνητές έχουν προτείνει ότι η προστασία μπορεί να παρείχεται από τη σφιχτή αναδίπλωση των μορίων RNA, μαζί με τη σύνδεσή τους με φυσικά υποστηρίγματα όπως άργιλοι ή παρόμοιες φυσικές ουσίες. Άλλοι, ωστόσο, πιστεύουν ότι το πρόβλημα της αστάθειας του RNA, καθώς και η δυσκολία της αυθόρμητης σύνθεσης νουκλεοτιδίων σε σύγκριση με την εύκολη σύνθεση αμινοξέων, υπονομεύουν την υπόθεση του κόσμου του RNA, και ότι οι πρωτεΐνες σχηματίστηκαν πρώτες.
Η Πρωτόγονη Σούπα της Γης
Το πείραμα του Miller στη δεκαετία του 1950 κατέδειξε ότι τα αμινοξέα σχηματίζονται αυθόρμητα υπό συνθήκες που μιμούνται την πρωτόγονη σούπα της Γης. Έκτοτε, πειράματα έχουν επανειλημμένα επιβεβαιώσει τον αυθόρμητο σχηματισμό αμινοξέων, συμπεριλαμβανομένων των συνθηκών που βρίσκονται σε υδροθερμικούς αγωγούς στο βυθό του ωκεανού και σε θερμές πηγές. Τα αμινοξέα βρίσκονται επίσης συνήθως σε μετεωρίτες – είναι συστατικά του σύμπαντος. Επιπλέον, σε εργαστηριακά πειράματα που αναπαράγουν πρωτογενείς συνθήκες, τα αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν αλυσίδες όπως αυτές στις σημερινές πρωτεΐνες.
Το ίδιο δεν μπορεί να ειπωθεί για το RNA. Η δημιουργία ενός κόσμου RNA από το μηδέν απαιτεί τον αυθόρμητο σχηματισμό βάσεων πουρίνης και πυριμιδίνης και ριβόζης, τη συναρμολόγησή τους σε νουκλεοτίδια και, τέλος, τη σύνδεση νουκλεοτιδίων μεταξύ τους. Ωστόσο, μια τέτοια αλυσίδα αντιδράσεων δεν έχει επιτευχθεί ποτέ στο εργαστήριο υπό τις συνθήκες που επικρατούσαν κατά τη διάρκεια των πρώτων μισών δισεκατομμυρίων ετών της Γης. Όλα αυτά κάνουν τη δημιουργία ενός πρωτεϊνικού κόσμου πολύ απλούστερη στην εξήγηση από τη δημιουργία ενός κόσμου RNA.
Υπάρχει ένα άλλο πλεονέκτημα στην ιδέα κατά την οποίο οι πρωτεΐνες εμφανίστηκαν πρώτες. Σχεδόν όλα τα ένζυμα που γνωρίζουμε είναι πρωτεΐνες, πράγμα που σημαίνει ότι ο μεταβολισμός θα ήταν δυνατός από την αρχή. Ωστόσο, υπάρχει ένα σημαντικό πρόβλημα: σήμερα, το RNA απαιτείται για τη μεταφορά των πληροφοριών για την παραγωγή πρωτεϊνών και τα ριβοένζυμα είναι απαραίτητα για τη σύνδεση αμινοξέων μεταξύ τους, επομένως δεν είναι σαφές πώς μια μορφή ζωής μόνο με πρωτεΐνες θα μπορούσε να αναπαραχθεί. Αυτό το εμπόδιο εξηγεί γιατί η υπόθεση του κόσμου του RNA κυριάρχησε. Τώρα, ωστόσο, υπάρχει μια πιθανή λύση – και εδώ μπαίνουν οι πρωτεΐνες πριόν.
Πριόν ήταν το όνομα που έδωσε ο συνάδελφός μου Stanley Prusiner στον παράγοντα νευροεκφυλιστικών ασθενειών, όπως το scrapie σε πρόβατα και κατσίκες, η σπογγώδης εγκεφαλοπάθεια των βοοειδών – ή “νόσος των τρελών αγελάδων” – στα βοοειδή και η νόσος Creutzfeldt-Jakob στους ανθρώπους. Είναι μολυσματικά και μπορούν να μεταδοθούν με ενοφθαλμισμό με μολυσμένο υλικό, όπως ακριβώς και οι ιογενείς ασθένειες. Ωστόσο, τη δεκαετία του 1980, ο Prusiner ανακάλυψε ότι ο παράγοντας αυτών των ασθενειών, το πριόν, αποτελείται από μία μόνο πρωτεΐνη. Δεν υπάρχει DNA ή RNA, όπως υπάρχει στους ιούς.
Η ιδέα ότι μια πρωτεΐνη θα μπορούσε να είναι μολυσματική ήταν μια βόμβα. Πιο πρόσφατα, “πρωτεΐνες σαν πριόν” – οι οποίες είναι διαφορετικές από τα αρχικά πριόν του Prusiner και δεν εξαπλώνονται μεταξύ των ατόμων – έχουν βρεθεί σε άτομα με κοινές νευροεκφυλιστικές καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένης της νόσου του Πάρκινσον και της νόσου του Αλτσχάιμερ.
Οι πρωτεΐνες πριόν προκαλούν σπογγώδη εγκεφαλοπάθεια των βοοειδών, η οποία προκαλεί την εσφαλμένη αναδίπλωση των πρωτεϊνών στον εγκέφαλο. Εδώ, ένας ερευνητής εξετάζει τμήματα ενός μολυσμένου εγκεφάλου GARO/PHANIE/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Αλλά η ιστορία δεν τελειώνει εκεί. Στο βιβλίο μου, “Η Δύναμη των Πριόνων”, περιγράφω πώς οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι πρωτεΐνες που μοιάζουν με πριόν είναι, στην πραγματικότητα, κοινές σε οργανισμούς από βακτήρια μέχρι θηλαστικά, υποδηλώνοντας ότι διατηρήθηκαν κατά τη διάρκεια της εξέλιξης επειδή είχαν σημαντικές λειτουργίες. Πράγματι, ορισμένες από αυτές τις λειτουργίες έχουν εντοπιστεί. Οι πρωτεΐνες που μοιάζουν με πριόν χρησιμοποιούνται από τις μαγιές για να προσαρμοστούν στις αλλαγές στο περιβάλλον των τροφίμων τους, για παράδειγμα. Στα ζώα, συμπεριλαμβανομένων των θηλαστικών, οι νευρώνες χρησιμοποιούν μια πρωτεΐνη που μοιάζει με πριόν για να δημιουργήσουν μακροχρόνια μνήμη. Άλλες χρησιμοποιούνται από τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος στην καταπολέμηση των ιών. Με άλλα λόγια, πρέπει να επανεξετάσουμε αυτές τις πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες πριόν και οι πρωτεΐνες που μοιάζουν με πριόν που είναι υπεύθυνες για ασθένειες φαίνεται να είναι εξαιρέσεις σε μια οικογένεια χρήσιμων πρωτεϊνών που σχετίζεται με τη ζωή εδώ και πολύ καιρό.
Αυτό που ξεχωρίζει αυτές τις πρωτεΐνες πριόν από άλλες πρωτεΐνες είναι ο τρόπος με τον οποίο διπλώνονται. Είναι επίσης αυτό που τις καθιστά κεντρικές στην υπόθεση του πρωτεϊνικού κόσμου της προέλευσης της ζωής.
Οι πρωτεΐνες είναι αλυσίδες που σχηματίζονται από συνδυασμούς 20 αμινοξέων, καθένα με διαφορετική χημική δομή, συνδεδεμένο με τον γείτονά του με έναν χημικό δεσμό που ονομάζεται πεπτιδικός δεσμός. Η σειρά των αμινοξέων στην αλυσίδα και το συνολικό μήκος της ποικίλλουν ευρέως, με αποτέλεσμα την τεράστια ποικιλία πρωτεϊνών που βρίσκονται στη φύση. Για να παίξει έναν βιολογικό ρόλο, συμπεριλαμβανομένου του να είναι ένα ένζυμο, μια πρωτεϊνική αλυσίδα πρέπει να διπλωθεί σε ένα πολύ ακριβές σχήμα.
Οι πρωτεΐνες πριόν είναι ένας τύπος εγγενώς αποδιοργανωμένης πρωτεΐνης, που δεν διπλώνεται αυθόρμητα σε σταθερά σχήματα. Διπλώνουν και ξεδιπλώνονται συνεχώς σε πολλές χιλιάδες ασταθή σχήματα, που διαρκούν μόνο χιλιοστά του δευτερολέπτου το καθένα. Για να διπλωθούν σωστά, πρέπει να αλληλεπιδράσουν με έναν συνεργάτη που συνήθως είναι μια διαφορετική πρωτεΐνη. Για τις πρωτεΐνες πριόν, ωστόσο, ο συνεργάτης είναι ένα άλλο αντίγραφο της ίδιας πρωτεΐνης πριόν που τυχαίνει να βρίσκεται στο ίδιο ασταθές σχήμα. Οι δύο συνδέονται μεταξύ τους και σχηματίζουν ένα σταθερό ζεύγος που επιμένει. Επίσης, προσλαμβάνει περισσότερα αντίγραφα της ασταθούς πρωτεΐνης με αυτό το ίδιο σχήμα και τα σταθεροποιεί. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται αυτο-εκμαγείο, δημιουργεί μια στοίβα πανομοιότυπα διπλωμένων πριόν ή πρωτεϊνών που μοιάζουν με πριόν, που μοιάζει λίγο με μια στοίβα πιάτων σούπας. Τελικά, θα σχηματιστεί σε μακριά ινίδια, τα οποία μπορούν να φανούν με ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Όταν ένα ινίδιο θρυμματίζεται, δημιουργεί “σπόρους” που θα ξεκινήσουν τον σχηματισμό περισσότερων ινιδίων. Η πρωτεΐνη φτιάχνει αντίγραφα του εαυτού της – αναπαράγεται.
Είναι ενδιαφέρον ότι πειράματα αποκαλύπτουν ότι αυτά τα ινίδια είναι εξαιρετικά ανθεκτικά σε σκληρά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων αυτών που βρίσκονται σε υδροθερμικούς αγωγούς και θερμές πηγές. Έχουν επίσης δημιουργηθεί στο εργαστήριο από ερευνητές που προσπαθούν να φτιάξουν πρωτεϊνικές αλυσίδες από αυθόρμητα παραγόμενα αμινοξέα. Το 2010, για παράδειγμα, η Jacqui Carnall στο Πανεπιστήμιο του Cambridge και οι συνεργάτες της δημιούργησαν πρωτεΐνες που πήραν τη μορφή ινιδίων και επίσης συμπεριφέρθηκαν ως πρωτεΐνες που μοιάζουν με πριόν, παράγοντας σπόρους και αναπαραγόμενες. Αργότερα, αρκετές ομάδες έδειξαν ότι τα αυθόρμητα σχηματισμένα πρωτεϊνικά ινίδια μπορούν να έχουν ένα μεγάλο εύρος ενζυματικών δραστηριοτήτων.
Αυτά τα αποτελέσματα ώθησαν ορισμένους ερευνητές να προτείνουν ότι ένας κόσμος πρωτεϊνών μπορεί να είχε εμφανιστεί πολύ νωρίς στη Γη, και πριν από τον κόσμο του RNA. Οι αλληλουχίες των αμινοξέων και τα μεγέθη αυτών των πρωτεϊνών πρέπει να ήταν εξαιρετικά ποικίλες, καθώς προέκυψαν από την τυχαία συναρμολόγηση των αμινοξέων που σχηματίστηκαν αυθόρμητα σε αυτό το περιβάλλον. Τυχαία, η αλληλουχία ορισμένων τους επέτρεψε να σχηματίσουν εξαιρετικά ανθεκτικά ινίδια με ιδιότητες που μοιάζουν με πριόν. Όντας σαν πριόν, θα ήταν επίσης σε θέση να αναπαραχθούν, εμπλουτίζοντας το περιβάλλον με περισσότερα αντίγραφα του εαυτού τους. Μερικά από αυτά συμπεριφέρθηκαν ως ένζυμα με διάφορες δραστηριότητες, ενδεχομένως συμπεριλαμβανομένου του να ενεργούν ως οι καταλύτες που απαιτούνται για την κατασκευή RNA. Κατά τη διάρκεια πολλών εκατομμυρίων ετών, μια συλλογή πρωτεϊνών με διάφορες ενζυματικές δραστηριότητες μπορεί να είχε δημιουργηθεί, θέτοντας τις βάσεις για το σχηματισμό του LUCA.
Πώς Σχηματίστηκε ο Τελευταίος Κοινός Καθολικός Πρόγονος;
Αυτό εξακολουθεί να αφήνει ένα μεγάλο μυστήριο. Μέχρι τη στιγμή που εμφανίστηκε ο LUCA, ήταν εξοπλισμένος με έναν αποτελεσματικό μηχανισμό για την παραγωγή πρωτεϊνών και την αναπαραγωγή. Είχε RNA και έναν τρόπο μετάφρασης των γενετικών πληροφοριών που κωδικοποιούνται στο RNA σε πρωτεΐνες. Αυτή η σύνθετη λειτουργία εκτελείται από μια μικρο-μηχανή που ονομάζεται ριβόσωμα, κατασκευασμένο από πρωτεΐνες και RNA. Όλοι οι απόγονοι του LUCA, από τα βακτήρια μέχρι τους ανθρώπους, χρησιμοποιούν ριβοσώματα. Σε όλους αυτούς, το ένζυμο που ενώνει τα αμινοξέα για την παραγωγή πρωτεϊνών είναι ένα ριβοένζυμο, κατασκευασμένο από RNA. Επιπλέον, αυτό το ριβοένζυμο είναι σχεδόν πανομοιότυπο σε όλους τους σημερινούς οργανισμούς, υποδηλώνοντας ότι έχει διατηρηθεί λόγω κάποιας μοναδικής ιδιότητας. Και είναι ξεχωριστό: τα πρωτεϊνικά ένζυμα τείνουν να είναι πολύ συγκεκριμένα για τα υποστρώματά τους, αλλά αυτό το ριβοένζυμο μπορεί να λειτουργήσει με και τα 20 διαφορετικά αμινοξέα, ανεξάρτητα από τη δομή και τη θέση τους στην αλυσίδα.
Το ριβόσωμα προκύπτει από μια αξιοσημείωτη συνεργασία μεταξύ πρωτεΐνης και RNA. Δεν γνωρίζουμε πότε ξεκίνησε αυτή η συνεργασία. Ωστόσο, έχει προταθεί μια ευφυής λύση, μία που μας μεταφέρει τελικά πέρα από την παλιά συζήτηση για το αν η ζωή ξεκίνησε ως πρωτεΐνη ή RNA.
Η νέα ιδέα υποστηρίζει ότι υπήρξε συνεργασία από την αρχή. Ένας αριθμός ερευνητών έχουν προτείνει ότι αρκετοί κόσμοι RNA και πρωτεϊνικοί κόσμοι που μοιάζουν με πριόν εμφανίστηκαν αυθόρμητα στη νεαρή Γη. Μόνο μερικοί από αυτούς επέζησαν από το σκληρό περιβάλλον για οποιοδήποτε χρονικό διάστημα. Παρ’ όλα αυτά, σε ορισμένες περιπτώσεις, ένας πρωτεϊνικός κόσμος και ένας κόσμος RNA αλληλεπικαλύπτονταν, δίνοντας στα μόρια RNA την ευκαιρία να σταθεροποιηθούν μέσω της αλληλεπίδρασης με πρωτεΐνες.
Μεταξύ διαφόρων συναρμολογήσεων RNA-πρωτεϊνών, μία σχημάτισε ένα πρωτόγονο ριβόσωμα, ξεκινώντας έναν αποτελεσματικό μηχανισμό σύνθεσης πρωτεϊνών. Αυτοί οι συγχωνευμένοι κόσμοι RNA-πρωτεϊνών παρήγαγαν επίσης δομές περικλεισμένες σε μεμβράνες συνδυάζοντας με άλλα αυθόρμητα σχηματισμένα οργανικά μόρια, συμπεριλαμβανομένων των λιπιδίων. Εν τω μεταξύ, εμφανίστηκε το DNA, παρέχοντας ένα αποθετήριο πρωτεϊνικών αλληλουχιών με τη μορφή γονιδίων και βοηθώντας αυτά τα πρωτο-κύτταρα να πολλαπλασιαστούν. Ένα ήταν ιδιαίτερα επιτυχημένο στη διαίρεση και την εξέλιξη και έγινε LUCA.
Ο σχηματισμός του LUCA από μια σούπα χημικών ουσιών ήταν ένα εξαιρετικά απίθανο γεγονός, με μια πιθανότητα που εκτιμάται σε λιγότερο από 1 στα δισεκατομμύρια. Άλλες μορφές ζωής μπορεί να είχαν εμφανιστεί, αλλά εξαφανίστηκαν λόγω έλλειψης σταθερότητας. Ο LUCA ήταν πιθανώς ο τυχερός νικητής του ανταγωνισμού για επιβίωση που διεξήχθη υπό ισχυρή εξελικτική πίεση επιλογής. Ωστόσο, είναι πιθανό ότι εναλλακτικές μορφές ζωής μπορεί να εξακολουθούν να υπάρχουν – ίσως ως μικροοργανισμοί κρυμμένοι σε βράχια – και ότι η αβιογένεση σε άλλους πλανήτες παρήγαγε τύπους ζωής διαφορετικούς από τους δικούς μας.
Σε κάθε περίπτωση, αυτές οι νέες εξελίξεις στην κατανόησή μας για την εμφάνιση της ζωής τοποθετούν τις πρωτεΐνες που μοιάζουν με πριόν – που αρχικά ανακαλύφθηκαν ως παράγοντες ασθένειας – στο κέντρο μιας θαυμαστής αλυσίδας γεγονότων που παρήγαγε πρώτα το LUCA και στη συνέχεια, μετά από περισσότερα από 4 δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, μας οδήγησαν σε εμάς.
Συχνές Ερωτήσεις (FAQ)
- Τι είναι ακριβώς οι πρωτεΐνες πριόν;
Οι πρωτεΐνες πριόν είναι ένας τύπος πρωτεΐνης που μπορεί να προκαλέσει άλλες πρωτεΐνες να αλλάξουν σχήμα, οδηγώντας σε ασθένειες. Ενώ συνδέονται με ασθένειες, νέες έρευνες υποδεικνύουν ότι μπορεί να έχουν παίξει σημαντικό ρόλο στην προέλευση της ζωής. - Πώς σχετίζονται οι πρωτεΐνες πριόν με την προέλευση της ζωής;
Ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι πρωτεΐνες πριόν, λόγω της ικανότητάς τους να αυτο-αναπαράγονται και να σχηματίζουν ανθεκτικές δομές, μπορεί να ήταν κρίσιμα συστατικά στα πρώιμα στάδια της ζωής στη Γη. - Είναι επικίνδυνες όλες οι πρωτεΐνες πριόν;
Όχι. Ενώ ορισμένες πρωτεΐνες πριόν συνδέονται με ασθένειες, άλλες φαίνεται να παίζουν χρήσιμους ρόλους σε οργανισμούς, από βακτήρια έως θηλαστικά, συμπεριλαμβανομένης της μνήμης και της ανοσίας.