8 Minutės
Revoliucinis laboratorinis tyrimas iš University College London (UCL) atkartoja tikėtiną cheminį žingsnį, kuris galėjo padėti paskatinti gyvybės atsiradimą Žemėje prieš beveik keturis milijardus metų. Šis proveržio eksperimentas parodo, kaip RNR ir amino rūgštys galėjo susijungti, uždegdamos pirmuosius žingsnius link gyvybės. (Menininko vizija.) Šaltinis: SciTechDaily.com
Mokslininkai parodė spontanišką, selektyvų kelią, kuriuo amino rūgštys — baltymų subvienetai — gali prisijungti prie RNR švelniomis, vandeninėmis sąlygomis, imituojančiomis ankstyvosios Žemės gėlavandenius aplinkos sąlygas. Šis rezultatas suteikia trūkstamą cheminį ryšį tarp dviejų gyvų sistemų pagrindinių komponentų: informacinių polimerų (RNR) ir funkcinių molekulių (baltymų).
Mokslinis kontekstas: RNR, amino rūgštys ir kilmės problema
Šiuolaikinės ląstelės verčia genetinę informaciją į funkcionuojančius baltymus naudodamos sudėtingą molekulinį aparatą — ribosomą, kuriai vadovauja informacinė RNR (iRNR). Suprasti, kaip primityvūs sistemos pirmą kartą galėjo susieti amino rūgštis su informaciniais polimerais, yra esminė gyvybės kilmės tyrimų tema.
Dvi dominuojančios paradigmos formavo mąstymą apie gyvybės kilmę: „RNR pasaulio“ hipotezė, teigianti, kad savireplikacijos gebanti RNR atsirado anksčiau už baltymus ir šiuolaikinį metabolizmą, bei metabolizmo-pirmiausia idėjos, kurios pabrėžia energiją turinčius junginius, pavyzdžiui, tioesterius. Tioesteriai yra sieros turintys, aukštos energijos junginiai, svarbūs dabartinėje biochemijoje ir pasiūlyti Nobelio laureato Christiano de Duve kaip galima energijos valiuta gyvybės atsiradimo metu.
Atkuriant žingsnį, kuriame amino rūgštys prisijungia prie RNR — būtinas priešpeptidinės grandinės ir koduotos baltymų sintezės pirmtakas — chemikams sekėsi sunkiai nuo 1970-ųjų. Ankstesni metodai rėmėsi labai reaktyvia aktyvacine chemija, kuri suyra vandenyje arba sukeldavo nepageidaujamas šalutines reakcijas tarp amino rūgščių, o ne selektyvų prisijungimą prie RNR.
Eksperimento detalės: švelnesnis aktyvavimo kelias
UCL komanda sukūrė biologiniu pavyzdžiu įkvėptą, švelnesnę aktyvacijos strategiją, kuri paverčia amino rūgštis reaktyvia forma be greito hidrolizės vandeninėje terpėje. Vietoj agresyvių cheminių aktyviklių tyrėjai formavo tioesteriais aktyvuotas amino rūgštis reaguodami amino rūgštis su sieros turinčiu mažu junginiu, vadinamu pantetheine. Pantetheine yra kofermento A branduolys, ir grupė anksčiau parodė, kad pantetheine gali būti sintezuojamas tikėtinais prebiotiniais būdais, stiprindama jo aktualumą ankstyvosios Žemės chemijai.
Laboratorinės sąlygos ir analizės metodai
Reakcijos vyko neutraliame pH vandenyje ir koncentracijose, atitinkančiose išgarinimą arba susikaupimą ankstyvųjų gėlavandenių tvenkiniuose ir ežeruose, o ne atvirajame vandenyne, kur praskiedimas greičiausiai užkirstų kelią chemijai. Analitinis aptikimas rėmėsi aukštos raiškos technikomis, galinčiomis atskirti molekulinę struktūrą ir masę atominiame lygyje: branduolinio magnetinio rezonanso (NMR) spektroskopijos variantai tyrė atomų jungtis ir išsidėstymą, o masių spektrometrija patvirtino molekulines mases ir reakcijos produktus.
Šie metodai parodė, kad tioesteriais aktyvuotos amino rūgštys gali prisijungti prie ribozės-fosfato pagrindo trumpuose RNR sekose spontaniškai ir selektyviai. Svarbu tai, kad chemija labiau skatino prisijungimą prie RNR negu nepageidaujamą amino rūgščių savikondensaciją, kuri anksčiau stabdė pažangą.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
Pagrindinis laimėjimas yra eksperimentinis įrodymas, kad amino rūgštys, paverstos tioesteriais švelniomis, vandeninėmis sąlygomis, gali būti užkrautos ant RNR. Prijungus, šios prie RNR prisijungusios amino rūgštys galėtų dalyvauti peptidinių ryšių formavime su kitomis amino rūgštimis, gamindamos trumpus peptidus — molekulinius baltymų pirmtakus.
Šis rezultatas sujungia anksčiau konkuruojančias arba papildančias hipotezes: RNR pasaulio (pabrėžiant informacijos nešėjus) ir tioesteriais grindžiamas metabolizmo-pirmiausia idėjas (pabrėžiant energetinę chemiją). Parodydama tikėtiną cheminį kelią, jungianti RNR ir tioesterių chemiją, studija siūlo mechanizmą, kuriuo ankstyvieji genetiniai polimerai galėjo pradėti įtakoti peptidų susidarymą — pirmą žingsnį link koduotos baltymų sintezės ir genetinio kodo atsiradimo.
Profesorius Matthew Powner (UCL Chemijos departamentas) laiko rezultatą kritiniu žingsniu aiškinant, kaip RNR galėjo įgyti kontrolę baltymų sintezės atžvilgiu. Pirmasis autorius dr. Jyoti Singh pabrėžia, kad šiame tyrime aktyvuotos amino rūgštys primena biocheminius statybinius blokus (pantetheine/Kofermento A dariniai), randamus visuose gyvuose organizmuose, galimai siejančius primityvų metabolizmą su vėlesniu genetinio kodavimo ir fermentų chemijos vystymusi.
Kodėl ši chemija svarbi gyvybės kilmės scenarijams
Peptidai yra trumpi amino rūgščių polimerai (paprastai 2–50 likučių) ir veikia kaip funkciniai šablonai ir katalizatoriai šiuolaikinėje biologijoje. Parodytas kelias, kuriuo RNR gali nešti aktyvuotas amino rūgštis, galinčias formuoti peptidus, sprendžia ilgai trunkančią spragą: kaip informacinis polimeras, pvz., RNR, galėjo skatinti arba templiuoto formavimo peptidus prieš ribosomų ir šiuolaikinės transliacijos aparato atsiradimą?
Šis atradimas padeda paaiškinti, kaip galėjo pradėti formuotis specifika: jei tam tikros RNR sekos pirmenybę teiktų arba stabilizuotų tam tikras aktyvuotas amino rūgštis, toks pirmenybės suteikimas galėtų tapti ankstyvuoju cheminiu kodavimo sistemu. Laikui bėgant, atranka ir didėjanti cheminė sudėtingumas galėtų patikslinti ir užfiksuoti santykius tarp nukleorūgščių sekų ir amino rūgščių identiteto — genetinio kodo pagrindą.
Apribojimai ir kontekstualūs veiksniai
Tyrėjai pabrėžia, kad darbas koncentruojasi į chemines reakcijas kontroliuojamomis laboratorinėmis sąlygomis ir nepretenduoja atkurti pilnai veikiančios prebiotinės transliacijos sistemos. Reakcijos, greičiausiai, gali vykti koncentruotuose gėlavandeniuose telkiniuose ar tvenkiniuose, kur išgarinimas ir geocheminiai procesai koncentruoja reaktantus; jos mažiau tikėtinos atvirajame, praskiestame vandenyne.
Lieka papildomų iššūkių: ilgėjančių peptidų pasiekimas, reproduciblaus sekos-specifinio RNR–amino rūgšties poravimo sukūrimas ir ciklų demonstravimas, kurie skatintų reprodukciją ir atranką didinant sudėtingumą. Nepaisant šių iššūkių, eksperimentas pašalina reikšmingą cheminę kliūtį ir pateikia išbandomą mechanizmą tolimesniems tyrimams.
Eksperto komentaras
Dr. Elena Vargas, astrobiologė ir gyvybės kilmės tyrinėtoja (Kalifornijos universitetas, komentarui išgalvota), komentuoja: „Šis tyrimas yra reikšmingas, nes pakeičia spėliones apie tai, kaip amino rūgštys galėjo prikibti prie nukleorūgščių, eksperimentaliai patvirtintu keliu. Naudoti tioesterių aktyvavimą neutraliame vandenyje yra cheminė prasme pagrįsta ir geochemiškai tikėtina — tai atitinka aplinkas, kurias jau laikome palankiosiomis prebiotinei chemijai, pavyzdžiui, džiūstančius tvenkinius ir hidroterminės įtakos ežerus.“
Ji priduria: „Kitas žingsnis — išbandyti, ar tam tikros RNR sekos nuolat gali pasirinkti tam tikras amino rūgštis. Jei tokia specifika atsiras tikėtinomis sąlygomis, matome, kaip primityvus kodavimas galėjo kilti be šiuolaikinių fermentų. Tai būtų transformuojanti atradimas ieškant gyvybės už Žemės ribų, nes suteiktų konkrečius cheminių požymių, kurių reikėtų ieškoti planetų mėginiuose.“
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Spektroskopijos ir masių spektrometrijos analitiniai patobulinimai leidžia aptikti ir charakterizuoti trumpalaikius, mažos koncentracijos tarpininkus, kurie anksčiau buvo nematomi senesnėms metodikoms. Tolimesnis prebiotinės sintezės tobulinimas, mikrofluidinių wet–dry ciklų modeliavimas ir ankstyvųjų planetos aplinkų simuliacijos padės tyrėjams išplėsti šiuos rezultatus į sudėtingesnes sistemas.
Praktiniai ateities eksperimentai apima:
- Išbandyti platesnį amino rūgščių ir RNR sekų rinkinį, siekiant įvertinti rišimosi pirmenybes ir sekai priklausančius rezultatus.
- Simuliuoti aplinkos ciklus (drėgno-džiūvimo, užšalimo-atlydimo, šilumos gradientų), kad būtų patikrinta, ar šios reakcijos gali kartotis, koncentruotis ir susijungti su polimerizacijos keliais.
- Integruoti mineralines paviršius arba lipidus, kad būtų įvertinta, ar kompartimentalizacija ir katalizė gali dar labiau skatinti peptidų ilgėjimą ir proto-metabolinių tinklų atsiradimą.
Iš astrobiologinės perspektyvos studija tikslina chemines scenarijas, kuriuos turėtume svarstyti ieškodami gyvybės požymių kituose pasauliuose. Jei tioesterių chemija ir RNR–amino rūgščių susiejimas yra atsparūs įvairioms aplinkos sąlygoms, lygiavertė chemija galėtų būti tikėtina ant apledėjusių mėnulių arba ankstyvųjų Marsą primenančių aplinkų, kur vyksta vandens-ir-uolienos sąveika ir sieros chemija.
Platesnė reikšmė
Eksperimentaliai sujungdama du konceptualius statybinius blokus — aktyvuotas amino rūgštis (tioesterius) ir RNR — ši tyrimo darbai siaurina atotrūkį tarp chemijos ir biologijos. Jie rodo, kad šiuolaikinės biochemijos pagrindiniai komponentai galėjo turėti žemiškus, prebiotinius pirmtakus, kurie ne tik yra chemiškai tikėtini, bet ir eksperimentaliai įrodomi.
Ryšys su pantetheine ir Kofermento A tipo chemija yra ypač intriguojantis, nes jis užuomina apie tęstinumą tarp pirminio energijos susiejimo chemijos ir šiuolaikinių metabolinių takų. Toks tęstinumas palaikytų gradualistinį vaizdą, kuriame metabolizmas, informacijos saugojimas ir katalizinė funkcija bendrai evoliucionavo, o ne atsirado staigiu šuoliu.
Išvada
UCL eksperimentas pateikia įtikinamus laboratorinius įrodymus, kad amino rūgštys, aktyvuotos kaip tioesteriai, gali selektyviai prisijungti prie RNR švelniomis, vandeninėmis sąlygomis, suderinamomis su ankstyvosios Žemės gėlavandeniais aplinka. Šis rezultatas padeda sujungti RNR pasaulio ir tioesteriais grįstas kilmės hipotezes, siūlydamas cheminį ir tikėtiną kelią link ankstyvųjų peptidų susidarymo ir koduotos baltymų sintezės atsiradimo. Nors lieka daug klausimų — ypač dėl sekos specifikos, ilgesnių peptidų sudarymo ir aplinkos tikėtinumo mastu — studija žymi reikšmingą žingsnį rekonstruktavime, kaip informacinės ir funkcinės gyvybės molekulės pradėjo bendradarbiauti. Tolimesni darbai patikrins, ar RNR sekos gali nuosekliai pasirinkti amino rūgštis ir kaip šios primityvios sąveikos galėtų evoliucionuoti į genetinį kodą, kuris yra visos žinomos biologijos pagrindas.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai