Jak życiu udało się poskładać niezliczone części? Przynajmniej pierwsze formy życia na Ziemi potrzebowały sposobu na przechowywanie i odtwarzanie informacji. Dopiero wtedy mogą kopiować siebie i rozprzestrzeniać się po świecie. Być może chemia odegrała znacznie ważniejszą rolę w powstaniu życia, niż wcześniej sądzono.
Jedna z najbardziej wpływowych hipotez mówi, że wszystko zaczęło się od RNA, cząsteczki, która może jednocześnie rejestrować zapisy genetyczne i wyzwalać reakcje chemiczne. Hipoteza „świata RNA” przejawia się w wielu formach, ale według najbardziej tradycyjnych, życie zaczęło się wraz z utworzeniem cząsteczki RNA zdolnej do reprodukcji. Jej potomkowie rozwinęli umiejętność wykonywania wielu zadań, takich jak tworzenie nowych związków i magazynowanie energii. Z biegiem czasu nastąpiło trudne życie.
Jednak naukowcy odkryli, że samoreplikujące się RNA jest zaskakująco trudne do wytworzenia w laboratorium. Odnieśli sukces, ale dotychczas stworzone potencjalne cząsteczki mogą odtwarzać RNA tylko o określonej sekwencji lub długości. Ponadto same te cząsteczki RNA są dość złożone, co rodzi pytania o to, w jaki sposób mogły zostać utworzone w wyniku wypadku chemicznego.
Nick Hud, chemik z Georgia Institute of Technology, i jego koledzy postanowili wyjść poza biologię i zbadać możliwą rolę chemii w powstawaniu życia. Być może przed pojawieniem się biologii istniał wstępny etap proto-życia, w którym tylko procesy chemiczne tworzyły „bufet” cząsteczek RNA i podobnych do RNA. „Myślę, że było sporo kroków, które doprowadziły do samoreplikującego się samowystarczalnego systemu” - mówi Hud.
W tym scenariuszu różne cząsteczki podobne do RNA mogłyby powstawać spontanicznie, pomagając bulionowi chemicznemu jednocześnie wymyślać wiele szczegółów niezbędnych do rozwoju życia. Proto-formy życia eksperymentowały z prymitywną inżynierią molekularną, rozkładając je kawałek po kawałku. Cały system działał jak gigantyczna sympatia. Dopiero gdy powstał taki system, pojawił się samoreplikujący się RNA.
Sednem propozycji Huda są chemiczne środki tworzenia tak bogatej różnorodności proto-życia. Symulacje komputerowe pokazują, że pewne warunki chemiczne mogą wytworzyć różnorodny zbiór cząsteczek podobnych do RNA. Zespół testuje obecnie ten pomysł na rzeczywistych cząsteczkach w laboratorium i ma nadzieję wkrótce przedstawić wyniki.
Grupa Huda toruje drogę wielu badaczom, którzy kwestionują tradycyjną hipotezę świata RNA i jego zależności od ewolucji biologicznej, a nie chemicznej. W tradycyjnym modelu nowa inżynieria molekularna została stworzona przy użyciu biologicznych katalizatorów - enzymów - tak jak ma to miejsce w przypadku nowoczesnych komórek. Podczas fazy proto-życia Huda, niezliczone ilości cząsteczek RNA lub podobnych do RNA mogły powstawać i zmieniać za pomocą środków czysto chemicznych. „Ewolucja chemiczna mogłaby pomóc w rozpoczęciu życia bez enzymów” - mówi Hud.
Film promocyjny:
Hud i jego koledzy postanowili pójść dalej i założyć, że rybosom, jedyny element inżynierii biologicznej obecny we wszystkich żywych istotach, powstał całkowicie z samej chemii. To niezwykły sposób patrzenia na rzeczy, ponieważ wielu uważa, że rybosom narodził się w biologii.
Jeśli zespół Huda może stworzyć formy proto-życia w warunkach, które mogły istnieć na wczesnej Ziemi, można założyć, że ewolucja chemiczna mogła odegrać znacznie bardziej znaczącą rolę w powstaniu życia, niż przypuszczali naukowcy. „Ewolucja darwinowska mogła być poprzedzona prostszą formą ewolucji” - mówi Niels Lehman, biochemik z Portland University w Oregonie.
Świat przed-darwinowski
Kiedy większość myśli o ewolucji, przychodzi na myśl ewolucja darwinowska, w której organizmy konkurują ze sobą o ograniczone zasoby i przekazują informacje genetyczne swoim potomkom. Każde pokolenie przechodzi korekty genetyczne, a potomstwo odnoszące największe sukcesy przeżywa, aby przekazać swoje geny. Ten sposób ewolucji dominuje we współczesnym życiu.
Karl Woese, znany biolog, który dał nam nowoczesne drzewo życia, uważał, że epokę darwinowską poprzedziła wczesna faza życia, rządzona przez zupełnie inne siły ewolucyjne. Woese uważał, że pojedyncza komórka byłaby prawie niemożliwa do zdobycia wszystkiego, czego potrzebuje do życia. Dlatego wyobraził sobie bogatą różnorodność cząsteczek zaangażowanych we wspólne życie. Zamiast konkurować ze sobą, prymitywne komórki miały wspólne molekularne innowacje. Ten bulion sprzed Darwina stworzył składniki potrzebne do złożonego życia, torując drogę dla wspaniałej menażerii, którą dziś widzimy na Ziemi.
Model Huda przenosi wizję czasu sprzed darwinizmu Woese jeszcze dalej w przeszłość, dostarczając prymitywnym komórkom środków chemicznych do tworzenia różnorodności molekularnej. Jedna forma proto-życia mogłaby wymyślić sposób na stworzenie bloków, których potrzebowała do samodzielnego stworzenia, inna mogłaby znaleźć sposób na zdobycie energii. Model ten różni się od tradycyjnej hipotezy świata RNA zależnością od ewolucji chemicznej, a nie biologicznej.
W świecie RNA pierwsze cząsteczki RNA rozmnażały się za pomocą wbudowanego enzymu rybozymu, który składa się z RNA. W świecie pierwotnego życia Huda zadanie to było wykonywane wyłącznie metodami chemicznymi. Historia zaczyna się od chemicznej zupy cząsteczek podobnych do RNA. Większość była krótka, ponieważ krótkie łańcuchy najprawdopodobniej utworzyłyby się spontanicznie, ale mogły też istnieć dłuższe, złożone cząsteczki. Model Huda opisuje, jak dłuższe cząsteczki mogą być odtwarzane bez pomocy enzymu.
Hud uważa, że w świecie prebiotyków pierwotny bulion RNA przeszedł regularne cykle ogrzewania i chłodzenia, po czym stał się gęsty i lepki. Ciepło rozdzieliło związane pary RNA, a lepki roztwór przez chwilę oddzielał cząsteczki. W międzyczasie do każdej długiej nici przyczepione są małe segmenty RNA o długości zaledwie kilku znaków. Te małe segmenty były stopniowo zszywane razem, tworząc nową nić RNA odpowiadającą pierwotnej długiej nici. Następnie cykl zaczął się od nowa.
Chemiczne szlaki replikacji RNA
Z biegiem czasu, gdy bulion różnych cząsteczek podobnych do RNA rozszerzał się i rozrastał, niektóre z nich uzyskały proste funkcje, takie jak metabolizm. Podobnie, czyste reakcje chemiczne mogą powodować różnorodność molekularną, tworząc przedarwinowski róg obfitości proto-życia Woese.
Grupie Huda udało się ukończyć wczesne etapy procesu reprodukcji w laboratorium, chociaż nie nauczyli się jeszcze kleić krótkich odcinków bez uciekania się do narzędzi biologicznych. Jeśli uda im się pokonać tę przeszkodę, stworzą uniwersalny sposób reprodukcji RNA.
Jednak niektórzy naukowcy wątpią, że reprodukcja za pośrednictwem chemii będzie wystarczająco dobra, aby odtworzyć przed-darwinowski świat, który opisuje Hud. „Nie wiem, czy w to wierzę” - mówi Paul Higgs, biofizyk z McMaster University w Hamilton w Ontario, który bada początki życia. „Wszystko musi się odbywać wystarczająco szybko i dokładnie, aby zapewnić spójność”. Oznacza to, że proces ten musi wytwarzać nowe RNA szybciej niż ulegają zniszczeniu i wystarczająco dokładnie, aby utworzyć przybliżone kopie cząsteczek wzorcowych.
Same zmiany chemiczne nie wystarczą, aby ożywić. Bulion z proto-życia nadal wymagał jakiejś selekcji, która zapewniłaby, że korzystne cząsteczki będą się rozwijać i rozmnażać. W swoim modelu grupa Hada sugeruje, że najprostsze protoenzymy mogły powstać i rozprzestrzenić się, co zaczęło przynosić korzyści ich twórcom i całemu społeczeństwu. Na przykład cząsteczka RNA, która wyprodukowała więcej bloków budulcowych, przyniosła korzyści sobie i sąsiadom, zapewniając im dodatkowe surowce do rozmnażania. Symulacje komputerowe przeprowadzone przez grupę Huda pokazały, że ten typ cząsteczki może się dobrze zakorzenić. Ten, który wzbogaca bulion, jest bardzo przydatny.
Korzenie rybosomalne
Jedno możliwe spojrzenie na świat przed-darwinowski można zobaczyć w rybosomie, starożytnym elemencie molekularnej maszynerii, która leży u podstaw naszego kodu genetycznego. Jest to enzym, który przekształca RNA, który koduje informację genetyczną, na białka, które przeprowadzają wiele reakcji chemicznych w naszych komórkach.
Jądro rybosomu składa się z RNA. To sprawia, że rybosomy są wyjątkowe - zdecydowana większość enzymów w naszych komórkach składa się z białek. Zarówno jądro rybosomalne, jak i kod genetyczny są wspólne wszystkim żywym istotom, co wskazuje na ich istnienie na samym początku ewolucji życia, być może nawet przed przekroczeniem progu darwinowskiego.
Hud i jego koleżanka Lauren Williams, również z Georgia Tech, wskazują, że rybosomy wspierają ich teorię chemicznie zdefiniowanego świata. W artykule opublikowanym w zeszłym roku wydali kontrowersyjne stwierdzenie: rdzeń rybosomu powstał w wyniku ewolucji chemicznej. Zasugerowali również, że pojawił się jeszcze przed pojawieniem się pierwszej samoreplikującej się cząsteczki RNA. Twierdzą, że jądro rybosomu mogło być udanym eksperymentem ewolucji chemicznej. A kiedy zakorzenił się w bulionie przed-darwinowskim, przekroczył próg darwinowski i stał się ważną częścią całego życia.
Ich argument opiera się na względnej prostocie jądra rybosomalnego, formalnie znanego jako centrum peptydylotransferazy (PTC). Zadaniem PTC jest łączenie aminokwasów, elementów budulcowych białek. W przeciwieństwie do tradycyjnych enzymów, które przyspieszają reakcje chemiczne za pomocą „sprytnych sztuczek chemicznych”, działa jako środek osuszający. Przekonuje dwa aminokwasy do wiązania, po prostu usuwając cząsteczkę wody. „To kiepski sposób na wywołanie reakcji” - mówi Lehman. „Enzymy białkowe zwykle opierają się na silniejszych strategiach chemicznych”.
Lehman zauważa, że prostota prawdopodobnie poprzedziła władzę na najwcześniejszych etapach życia. „Kiedy myślisz o pochodzeniu życia, najpierw musisz pomyśleć o prostej chemii; mówi, że każdy proces najprostszej chemii może być starożytny. „Myślę, że jest to bardziej przekonujący argument niż fakt, że należy ona do wszelkiego życia”.
Pomimo mocnych dowodów nadal trudno sobie wyobrazić, w jaki sposób jądro rybosomalne mogło powstać w wyniku ewolucji chemicznej. Enzym, który robi więcej sam z siebie - podobnie jak w hipotezie replikatora RNA w świecie RNA - automatycznie tworzy zamkniętą pętlę, stale zwiększając własną produktywność. W przeciwieństwie do tego jądro rybosomu nie wytwarza więcej jąder rybosomalnych. Produkuje losowe łańcuchy aminokwasów. Nie jest jasne, w jaki sposób proces ten powinien stymulować produkcję większej ilości rybosomów.
Hud i jego koledzy spekulują, że RNA i białka powstały w tandemie, a ktokolwiek wymyślił, jak współpracować, przeżył. Pomysłowi temu brakuje prostoty świata RNA, który zakłada istnienie pojedynczej cząsteczki zdolnej do jednoczesnego kodowania informacji i katalizowania reakcji chemicznych. Ale Hud uważa inaczej: to złożoność dodaje elegancji pojawieniu się życia.
„Myślę, że zawsze kładziono zbyt duży nacisk na prostotę, że jeden polimer jest lepszy niż dwa” - mówi. „Uzyskanie określonych reakcji mogłoby być łatwiejsze, gdyby oba polimery współpracowały ze sobą. Współpraca polimerów mogła być łatwiejsza od samego początku”.
Na podstawie materiałów z Quanta Magazine