Biologi, kemiki in celo matematiki se že več desetletij ukvarjajo s problemom nastanka življenja. In čeprav obstajajo že znanstveno utemeljene in podprte hipoteze kemijske evolucije pred pojavom prve celice, se delo v tej smeri nadaljuje. "Lenta.ru" govori o novi raziskavi o problemu sveta RNA, katere rezultati so bili objavljeni v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences.
Znanstveniki z univerze Portland State, ki so izvajali poskuse na ribocimih, so ugotovili, da je sposobnost teh molekul, da katalizirajo lastno sestavo, odvisna od njihove interakcije z drugimi podobnimi molekulami. Študija posredno podpira hipotezo sveta RNA, ki pravi, da je bila prva organska molekula, ki je postala osnova za prve celice, RNA. Te molekule RNA so bile sposobne samosintetizirati, tekmovati med seboj in sodelovati v prebiotični evoluciji, ko so najuspešnejše spojine postale osnova za kompleksnejše kemijske komplekse.
Mnogi ljudje vedo, da imajo žive celice svoje posebne katalizatorje: encime, ki so kompleksno zložene beljakovinske molekule, ki izvajajo vitalne reakcije. Vendar pa encimi niso samo beljakovine, ampak tudi verige RNA. Spomnimo se, da je RNA nukleinska kislina, zelo podobna DNK, vendar se od nje razlikuje po tem, da vsebuje sladkorno ribozo (ne deoksiribozo), eno izmed dušičnih baz, timin, pa nadomešča uracil. Po mnenju znanstvenikov se je RNA pojavila pred DNK, ker je veliko bolj labilna (njena struktura je bolj dovzetna za spremembe) in lahko izvaja katalitične reakcije brez pomoči beljakovin. Molekule RNA, ki so encimi, se imenujejo ribocimi. Ribocimi običajno katalizirajo cepitev sebe ali drugih molekul RNA.
Eden najbolj dobro preučenih ribozimov je Azo, encim, ki so ga izdelali znanstveniki iz samorezovalne skupine I intronov, ki jih najdemo v DNK bakterije Azoarcus. Introni so regije genov, ki ne vsebujejo informacij o zaporedju proteina ali nukleinske kisline in se izločijo med zorenjem messenger RNA (mRNA). Vsi introni skupine I katalizirajo lastno ekscizijo iz zaporedja RNA. Intronski ribozim Azo, ki zanima znanstvenike, se nahaja v genu, ki kodira transportno RNA (tRNA), ki nosi aminokislinski izoleucin. Znotraj celice tudi Azo, tako kot drugi ribocimi, izvaja lastno izločanje iz tRNA, vendar se je v laboratorijskih pogojih lahko naučil izvajati obratno spajanje: ribozim na določenem mestu razreže substrat - kratko molekulo RNA s specifičnim nukleotidnim zaporedjem,njihovi deli ostanejo pritrjeni na Azo.
Struktura ribocima bakterije Azoarcus. Z rdečo je označen fragment IGS
Slika: Jessica AM Yeates et al. Oddelek za kemijo, Portland State University
Azo je dolg približno 200 nukleotidov in se lahko razgradi na dva, tri ali štiri fragmente, ki se spontano združijo pri 42 stopinjah Celzija v prisotnosti raztopine MgCl2. Postopek samo sestavljanja se začne z medsebojnim delovanjem dveh nukleotidnih trojčkov (trojčkov), ki pripadajo različnim fragmentom RNA. Ko se med trojčki tvorijo vodikove vezi po načelu komplementarnosti, deli ribocima spremenijo svojo prostorsko strukturo in se med seboj ponovno združijo. Znanstveniki so se osredotočili na reakcijo samo-sestavljanja dveh fragmentov, ki sta jih predhodno poimenovali WXY in Z, kjer W, X, Y in Z predstavljajo ločena območja ribozima v dolžini približno 50 nukleotidov (slika 1). Na mestu W, na sprednjem koncu molekule RNA, se nahaja ena od trojčkov,ki sodeluje pri zagonu samonastavitve in se imenuje "notranje vodilno zaporedje" (IGS). Na koncu WXY je triplet oznake, ki v interakciji z IGS tvori močno kovalentno vez z fragmentom Z.
Promocijski video:
Raziskovalci so ustvarili različne variante (genotipi) fragmentov WXY s spreminjanjem nukleotidov, ki se nahajajo na sredini IGS, in označevali triplete (nukleotide M in N). Ker molekule RNA običajno tvorijo samo štiri vrste nukleotidov, obstaja 16 takšnih variant. Na primer, eden od genotipov je lahko 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', drugi pa 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Vse te različice molekul lahko tekmujejo med seboj in tvorijo različne presnovne mreže, v katerih je potreben skupni vir - molekula Z -, da obnovimo celoten ribozim.
Reakcija med različnimi fragmenti Azo ribozima, da nastane celotna molekula
Slika: Jessica AM Yeates et al. Oddelek za kemijo, Portland State University.
V svojih poskusih so znanstveniki najprej preizkusili sposobnost vsakega genotipa, da se samostojno sestavi. Ko M in N tvorita par Watson-Crick (to je po načelu komplementarnosti, A - U, C - G), hitrost samo sestavljanja ribozima postane višja kot pri drugih vrstah parov. Raziskovalci so nato simulirali toplo okolje "majhnega ribnika", v katerem različne prebiotične molekule medsebojno delujejo, da bi si drug drugega pridobile koristi in pospešile samoorganizacijo. Biokemiki so spremljali vedenje genotipov, ki so bili povezani med seboj, skupaj so znanstveniki preučevali 120 parov, sestavljenih iz dveh različnih različic WXY. Izmerili so hitrost vsake reakcije, ki je potekala med molekulami obeh WXY genotipov in Z fragmenti v ločenih epruvetah 30 minut.
Interakcija med zaporedji različnih fragmentov ribozima z uporabo vodikovih vezi
Slika: Jessica AM Yeates et al. Oddelek za kemijo, Portland State University
Z združevanjem rezultatov obeh stopenj poskusa in doseganjem stopnje samo sestavljanja ob interakciji dveh različnih genotipov so raziskovalci postavili evolucijski eksperiment. Pare genotipov smo mešali v enakih razmerjih, oskrbeli z Z-fragmenti in med seboj reagirali pet minut. V tem času so znanstveniki vzorčili 10 odstotkov raztopine v novi epruveti, v kateri je bilo več nereagiranih WXY vsakega genotipa in Z-fragmentov. Znanstveniki so v osmih takih prenosih izsledili razmerja vsakega genotipa WXYZ. To je omogočilo oceno kemijskega ekvivalenta evolucijskega uspeha ribocimov skozi generacije, kar je bilo opaziti kot "eksplozija" - torej močno povečanje hitrosti samo-sestavljanja RNA. V evolucijskem poskusu so biologi preučevali interakcijo sedmih parov ribocimov.
Na podlagi vseh laboratorijskih eksperimentov so znanstveniki izpeljali matematični model diferencialnih enačb, ki upošteva hitrost samonastavitve genotipov z ali brez prisotnosti drugih genotipov. Ta model je postal osnova za novo teorijo evolucijskih iger, ki opredeljuje več vedenj molekul RNA. V enem primeru, imenovanem "prevlado", je eden od genotipov vedno bolj pogost kot drugi, medtem ko njegova hitrost samo sestavljanja vedno presega hitrost tekmeca. V drugem primeru - "Sodelovanje" - oba genotipa, ki se medsebojno uporabljata, imata koristi od "sodelovanja", hitrost njihovega samosestavljanja pa presega hitrost, ki bi jo imeli ločeno drug od drugega. "Sebični scenarij" - ravno nasprotno od "Sodelovanja" - pomeni, da vsak ribozim posebej prejme več kot pri interakciji z nekom drugim. In končnopri "Protitodinaciji" se genotip z nizko stopnjo samo sestavljanja nenadoma začne pojavljati pogosteje kot njegov konkurent.
Ta študija ni namenjena neposrednemu dokazovanju hipoteze o svetu RNA, vendar predstavlja še en delček v sestavljanki znanstvenega razumevanja prebiotične evolucije. Prvič se je pokazalo, da se lahko encimske lastnosti posameznih molekul izboljšajo v prisotnosti drugih molekul, ki se razlikujejo le po enem ali dveh nukleotidih. V velikanski rešitvi, ki so bili zemeljski oceani ob zori življenja, so se te molekule med seboj konkurirale za podlage, sodelovale in stopnjevale svoje delovanje. Na podlagi tega je že mogoče sklepati, zakaj so se kompleksne organske spojine skušale združiti v sisteme, ki so prototipi prvih celic.
Aleksander Enikejev