8 Minuten
Priešakinis laboratorinis tyrimas iš University College London (UCL) atkuria tikėtiną cheminį etapą, dėl kurio beveik prieš keturis milijardus metų Žemėje galėjo prasidėti gyvybė. Revoliucinis eksperimentas parodo, kaip RNR ir amino rūgštys galėjo susijungti ir uždegti pirmuosius gyvenimo žingsnius. (Menininko vizija.) Kreditas: SciTechDaily.com
Mokslininkai parodė spontanišką, selektyvų kelią, kuriuo amino rūgštys — baltymų statybinės dalys — gali prisijungti prie RNR švelniose, vandeninėse sąlygose, imituojančiose ankstyvės Žemės gėlavandenes aplinkas. Šis rezultatas suteikia trūkstamą cheminį ryšį tarp dviejų gyvų sistemų pagrindinių komponentų: informacinių polimerų (RNR) ir funkcinių molekulių (baltymų), ir prisideda prie prebiotinės chemijos supratimo gyvybės kilmės tyrimuose.
Mokslinis fonas: RNR, amino rūgštys ir kilmės problema
Šiuolaikinės ląstelės verčia genetinę informaciją į funkcinius baltymus naudodamos sudėtingą molekulinį mechanizmą — ribosomą, kurį nukreipia informacinė RNR (mRNR). Supratimas, kaip primityvios sistemos galėjo pirmiausia sujungti amino rūgštis su informaciniais polimerais, yra esminis gyvybės kilmės tyrimų klausimas.
Dvi vyraujančios paradigmų grupės formavo mąstymą apie gyvybės kilmę: „RNR pasaulio“ hipotezė, teigianti, kad savireplikuojanti RNR buvo prieš baltymus ir modernų metabolizmą, ir pirmiausia metabolizmą pabrėžiančios idėjos, kurios akcentuoja energiją turinčias jungtis, pvz., tioesterius. Tioesteriai yra sierą turinčios, aukštos energijos molekulės, svarbios dabartinėje biochemijoje; Nobelio laureatas Christianas de Duve pasiūlė jas kaip galimą energetinę valiutą gyvybės kilmėje.
Amino rūgščių prisijungimo prie RNR pakartojimas — esminis peptidų susidarymo ir koduotos baltymų sintezės pirmtakas — chemikams kėlė sunkumų nuo 1970-ųjų. Ankstesni metodai rėmėsi ypač reaktyvia aktyvacine chemija, kuri vandenyje lengvai degradavosi arba sukeldavo nepageidaujamas šonines reakcijas tarp amino rūgščių, vietoje selektyvaus prisijungimo prie RNR.
Eksperimento detalės: švelnesnis aktyvavimo kelias
UCL komanda sukūrė biologiją primenantį, švelnesnį aktyvavimo būdą, kuris paverčia amino rūgštis reaktyvia forma be greitos hidrolizės vandeninėse tirpaluose. Vietoje agresyvių cheminių aktyvatorių tyrėjai formavo tioesteriais aktyvuotas amino rūgštis reaguodami amino rūgštis su sierą nešančia maža molekule panteteinu. Panteteinas yra Kofermento A (CoA) branduolys, ir grupė anksčiau parodė, kad panteteinas gali būti sintezuotas įtikimomis prebiotinėmis sąlygomis, sustiprinant jo reikšmę ankstyvės Žemės chemijai.
Laboratorinės sąlygos ir analizės metodai
Reakcijos vyko neutralaus pH vandenyje ir koncentracijose, atitinkančiose garinimą ar susikaupimą ankstyvųjų gėlavandenių telkiniuose, upeliuose ir ežeruose, o ne atvirajame vandenyne, kur praskiedimas greičiausiai trukdytų chemiją. Analitinis aptikimas rėmėsi aukštos raiškos metodais, galinčiais atskirti molekulinę struktūrą ir masę atominiu lygiu: branduolių magnetinio rezonanso (NMR) spektroskopijos variantai tirė atomų jungtis ir išdėstymą, o masių spektrometrija patvirtino molekulines mases ir reakcijos produktus.
Šie metodai atskleidė, kad tioesteriais aktyvuotos amino rūgštys gali prisijungti prie ribozės-fosfato skeveldrų trumpose RNR grandinėse spontaniškai ir selektyviai. Svarbu, kad chemija pirmenybę teikė prisijungimui prie RNR prieš nepageidaujamą amino rūgščių savi-kondensaciją, kuri trukdė ankstesniems bandymams.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
Pagrindinis proveržis yra eksperimentiniai įrodymai, kad amino rūgštys, paverstos tioesteriais švelniomis, vandenyje suderinamomis sąlygomis, gali būti pakraunamos ant RNR. Užrašytos prie RNR esančios amino rūgštys galėtų dalyvauti peptidinių ryšių formavime su kitomis amino rūgštimis ir taip gaminti trumpus peptidus — molekulinius baltymų pirmtakus.
Šis rezultatas sujungia dvi anksčiau konkuruojančias arba papildančias kilmės hipotezes: RNR pasaulio (akcentuojančią informacines molekules) ir tioesterius akcentuojančias pirmumo metabolizmo idėjas (akcentuojančias energetinę chemiją). Parodęs įtikinamą cheminį kelią, kuris susieja RNR ir tioesterių chemiją, tyrimas siūlo mechanizmą, kaip ankstyvieji genetiniai polimerai galėjo pradėti daryti įtaką peptidų surinkimui — tai pirmas žingsnis link koduotos baltymų sintezės ir genetinio kodo atsiradimo.
Profesorius Matthew Powner (UCL Chemijos skyrius) apibūdina rezultatą kaip kritinį žingsnį aiškinant, kaip RNR galėjo įgyti kontrolę baltymų sintezės atžvilgiu. Pirmasis autorius dr. Jyoti Singh pabrėžia, kad šioje studijoje aktyvuotos amino rūgštys primena biocheminius statybinius blokus (tioesterius, kilusius iš panteteino/Kofermento A), randamus visuose gyvuose organizmuose, kas gali sieti primityvų metabolizmą su vėlesniu genetinio kodavimo ir fermentų valdomos chemijos vystymusi.
Kodėl ši chemija svarbi gyvybės kilmės scenarijams
Peptidai yra trumpi amino rūgščių grandiniai (įprastai 2–50 aminorūgščių) ir veikia kaip funkcinės atramos bei katalizatoriai šiuolaikinėje biologijoje. Parodžius RNR kelią nešti aktyvuotas amino rūgštis, galinčias formuoti peptidus, išsprendžiamas ilgai trunkantis tarpas: kaip informacinis polimeras, toks kaip RNR, galėjo skatinti arba šablonuoti peptidų susidarymą prieš ribosomų ir modernios transliacijos mechanizmų atsiradimą?
Šis atradimas padeda paaiškinti, kaip galėjo pradėti atsirasti specifika: jei tam tikros RNR sekos palankiai susiriša arba stabilizuoja konkrečias aktyvuotas amino rūgštis, toks pirmenybės ryšys galėtų reikšti ankstyvą cheminių kodų sistemą. Laikui bėgant, atranka ir didėjanti cheminė kompleksija galėtų patobulinti ir užfiksuoti ryšius tarp nukleorūgščių sekų ir amino rūgščių tapatumų — tai ir būtų genetinio kodo pagrindas.
Apribojimai ir kontekstiniai veiksniai
Tyrėjai pabrėžia, kad darbas tiria chemiją kontroliuojamose laboratorinėse sąlygose ir nepraneša, kad būtų rekonstruota pilnai veikianti prebiotinė transliacijos sistema. Reakcijos, regis, yra įmanomos koncentruotuose gėlavandeniniuose baseinuose ar tvenkiniuose, kuriuose garavimas ir geocheminiai procesai koncentruoja reagentus; jos mažiau tikėtinos didžiuliame, praskiestame vandenyne.
Lieka papildomų iššūkių: pasiekti ilgesnius peptidus, sukurti atkuriamą seka-specifišką RNR–amino rūgščių poravimą ir parodyti replikacijos bei atrankos ciklus, skatinančius augančią kompleksiką. Nepaisant šių iššūkių, eksperimentas nuima didelį cheminį barjerą ir pateikia testuojamą mechanizmą tolimesniems tyrimams.
Ekspertų įžvalga
Dr. Elena Vargas, astrobiologė ir gyvybės kilmės tyrėja (Kalifornijos universitetas, komentarui fiktyvi), komentuoja: "Šis tyrimas yra reikšmingas, nes jis pakeičia spėliones apie tai, kaip amino rūgštys galėjo prisijungti prie nukleorūgščių, eksperimentaliai patvirtintu keliu. Naudojant tioesterinį aktyvavimą neutraliame vandenyje — tai chemiškai prasminga ir geochemiškai įtikinama — jis dera su aplinkomis, kurias jau laikome perspektyviomis prebiotinės chemijos atžvilgiu, pvz., džiūstančiais tvenkiniais ir hidroterminėmis įtakojamomis ežerų sistemomis."
Ji priduria: "Kitas žingsnis — patikrinti, ar tam tikros RNR sekos nuosekliai gali pasirinkti tam tikras amino rūgštis labiau nei kitas. Jei tokia specifika atsiras įtikinamomis sąlygomis, pradėsime matyti, kaip pirminis kodavimas galėjo atsirasti be modernių fermentų. Tai būtų permaininga mūsų paieškose gyvybei už Žemės ribų, nes suteiktų konkrečius cheminius požymius, kurių ieškoti planetiniuose mėginiuose."
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Spektroskopijos ir masių spektrometrijos analizės pažanga leidžia aptikti ir charakterizuoti trumpalaikes, mažos koncentracijos tarpines būsenas, kurios senesniais metodais buvo nematomos. Tolimesnis prebiotinės sintezės, mikrofluidinių modeliavimų drėgna-džiūsta ciklų ir ankstyvųjų planetinių aplinkų simuliacijų tobulinimas padės tyrėjams išplėsti šiuos atradimus į sudėtingesnes sistemas.
Praktiniai būsimų eksperimentų planai apima:
- Išbandyti platesnį amino rūgščių ir RNR sekų rinkinį, įvertinti prisirišimo nuostatas ir sekai priklausomus rezultatus.
- Simuliuoti aplinkos ciklus (drėgna-džiūsta, užšalimas-atsąla, terminiai gradientai), kad patikrintų, ar šios reakcijos gali būti kartojamos, koncentruojamos ir susijungti su polimerizacijos keliais.
- Integruoti mineralines paviršines arba lipidus, kad įvertintų, ar kompartimentavimas ir katalizė galėtų skatinti peptidų ilgėjimą ir protometabolinių tinklų atsiradimą.
Astrobiologijos požiūriu tyrimas susiaurina chemines scenarijas, kuriuos turėtume svarstyti ieškant gyvybės požymių kituose pasauliuose. Jei tioesterių chemija ir RNR–amino rūgščių sujungimas yra stabili esant įvairioms aplinkos sąlygoms, ekvivalentinė chemija galėtų būti įmanoma ledo mėnuliuose ar ankstyvojo Marso analoguose, kur vyksta vandens-uolienos sąveikos ir egzistuoja sieros chemija.
Platesnė reikšmė
Eksperimentu sujungus du konceptualius statybinius blokus — aktyvuotas amino rūgštis (tioesterius) ir RNR — šis darbas sumažina atotrūkį tarp chemijos ir biologijos. Jis siūlo, kad šiuolaikinės biochemijos pagrindiniai komponentai gali turėti žemiškus, prebiotinius pirmtakus, kurie yra ne tik cheminiai galimi, bet ir eksperimentaliai įrodomi.
Ryšys su panteteinu ir Kofermento A tipo chemija yra ypač intriguojantis, nes jis leidžia manyti apie tęstinumą tarp pirmykštės energijos susiejimo chemijos ir šiuolaikinių metabolinių kelių. Toks tęstinumas palaikytų gradualistinį požiūrį, kuriame metabolizmas, informacijos saugojimas ir katalizinė funkcija evoliucionavo kartu, o ne atsirado staigiu šuoliu.
Išvados
UCL eksperimentas pateikia įtikinamus laboratorinius įrodymus, kad amino rūgštys, aktyvuotos kaip tioesteriai, gali selektyviai prisijungti prie RNR švelniomis, vandeninėmis sąlygomis, atitinkančiomis ankstyvės Žemės gėlavandenes. Šis rezultatas padeda užpildyti spragą tarp RNR pasaulio ir tioesteriais grindžiamų kilmės hipotezių, siūlydamas cheminį kelią link ankstyviausių peptidų susidarymo ir koduotos baltymų sintezės atsiradimo. Nors lieka daug klausimų — ypač dėl sekos specifikos, ilgesnių peptidų sintezės ir aplinkos realistiškumo dideliu mastu — tyrimas žymi reikšmingą žingsnį link to, kaip informacinės ir funkcionalios gyvenimo molekulės pradėjo bendradarbiauti. Būsimi darbai patikrins, ar RNR sekos gali sistemingai pasirinkti amino rūgštis ir kaip šios primityvios sąveikos galėjo evoliucionuoti į genetinį kodą, kuris yra visos žinomos biologijos pamatas.
Quelle: scitechdaily
Kommentare