Molekularne pochodzenie życia: co powstało jako pierwsze – białko, DNA, RNA lub ich kombinacja?

„Odpowiedziano na kilka pytań dotyczących pochodzenia życia, ale wiele pozostaje do zbadania” – stwierdzili Stanley Miller i Harold Urey już w 1959 roku, po opisaniu laboratoryjnej syntezy aminokwasów w prymitywnych warunkach ziemskich. Poczyniono wiele postępów, ale naukowcy od dawna zmagają się z fundamentalnym pytaniem – który materiał genetyczny jako pierwszy powstał na prymitywnej Ziemi, DNA or RNA, czy po trochu jednego i drugiego? Istnieją obecnie dowody, które to sugerują DNA i RNA oba mogły współistnieć w pierwotnej zupie, z której mogły wyewoluować formy życia wraz z odpowiednimi materiałami genetycznymi.

Centralny dogmat biologii molekularnej stwierdza, że: DNA sprawia, że RNA sprawia, że Białka. Białka odpowiadają za większość, jeśli nie za wszystkie reakcje zachodzące w organizmie. Cała funkcjonalność organizmu zależy w dużej mierze od ich obecności i interakcji białko Cząsteczki. Według centralnego dogmatu, Białka wynikają z informacji zawartych w DNA który jest przekształcany w funkcjonalny białko za pośrednictwem przekaźnika zwanego RNA. Jednak jest to możliwe Białka sami mogą przetrwać niezależnie i bez nich DNA or RNA, podobnie jak w przypadku prionów (nieprawidłowo sfałdowanych białko cząsteczki, które nie zawierają DNA or RNA), ale potrafi przetrwać samodzielnie.

Tak więc mogą istnieć trzy scenariusze powstania życia.

A) Jeśli Białka lub jego elementy składowe mogły uformować się abiotycznie w atmosferze, która istniała miliardy lat temu w pierwotnej zupie, Białka można nazwać podstawą pochodzenie życia. Dowody eksperymentalne na jego korzyść pochodzą ze słynnego eksperymentu Stanleya Millera^{1, 2}, który pokazał, że gdy mieszanina metanu, amoniaku, wody i wodoru zmiesza się razem i przepłynie obok wyładowania elektrycznego, powstaje mieszanina aminokwasów. Zostało to ponownie potwierdzone siedem lat później³ w 1959 roku przez Stanleya Millera i Harolda Ureya stwierdzających, że obecność atmosfery redukującej w pierwotnej ziemi dała początek syntezie organiczny związków w obecności ww. gazów oraz mniejszych ilości tlenku i dwutlenku węgla. Znaczenie eksperymentów Millera-Ureya było przez wiele lat kwestionowane przez środowisko naukowe, które uważało, że mieszanina gazów zastosowana w ich badaniach była zbyt redukcyjna w stosunku do warunków panujących na pierwotnej Ziemi. Wiele teorii wskazywało na atmosferę neutralną zawierającą nadmiar CO2 z N2 i parą wodną⁴. Jednak neutralna atmosfera została również zidentyfikowana jako prawdopodobne środowisko do syntezy aminokwasów⁵. Ponadto za Białka aby działać jako źródła życia, muszą się samoreplikować, co prowadzi do połączenia różnych Białka aby zaspokoić różne reakcje zachodzące w organizmie.

B) Jeśli pierwotna zupa zapewniała warunki do budowy cegiełek DNA i / lub RNA który miał powstać, wówczas którykolwiek z nich mógł być materiałem genetycznym. Dotychczasowe badania były korzystne RNA być materiałem genetycznym, z którego powstały formy życia ze względu na ich zdolność do zwijania się, istnieć jako pojedyncza nić i działać jak enzym⁶, mogący zrobić więcej RNA Cząsteczki. Szereg samoreplikujących się enzymów RNA⁷ zostały odkryte przez lata, co sugeruje RNA być wyjściowym materiałem genetycznym. Zostało to dodatkowo wzmocnione badaniami przeprowadzonymi przez grupę Johna Sutherlanda, które doprowadziły do ​​​​powstania dwóch zasad RNA w środowisku podobnym do pierwotnej zupy poprzez dodanie fosforanu do mieszaniny⁸. Tworzenie bloków budulcowych RNA wykazano również poprzez symulację atmosfery redukującej (zawierającej amoniak, tlenek węgla i wodę), podobnej do tej użytej w eksperymencie Millera-Ureya, a następnie przepuszczanie przez nie wyładowań elektrycznych i laserów dużej mocy⁹. Jeśli za twórcę uważa się RNA, to kiedy i w jaki sposób to nastąpiło DNA i powstają białka? Zrobił DNA rozwinęły się później jako materiał genetyczny z powodu niestabilnej natury RNA, a białka poszły w ich ślady. Odpowiedzi na wszystkie te pytania wciąż pozostają bez odpowiedzi.

C) Trzeci scenariusz, że DNA i RNA mogą współistnieć w pierwotnej zupie, która doprowadziła do powstania życia, pochodzi z badań opublikowanych na 3^rd Czerwiec 2020 r. przez grupę Johna Sutherlanda z laboratorium MRC w Cambridge w Wielkiej Brytanii. Naukowcy symulowali warunki, które istniały na pierwotnej Ziemi miliardy lat temu, wykorzystując w laboratorium płytkie stawy. Najpierw rozpuścili powstałe substancje chemiczne RNA w wodzie, a następnie suszy się i podgrzewa, a następnie poddaje promieniowaniu UV imitującemu promienie słoneczne istniejące w czasach pierwotnych. Doprowadziło to nie tylko do syntezy dwóch elementów składowych RNA ale także DNA, co sugeruje, że oba kwasy nukleinowe współistniały w momencie powstania życia¹⁰.

W oparciu o współczesną wiedzę istniejącą dzisiaj i honorującą centralny dogmat biologii molekularnej, wydaje się prawdopodobne, że DNA i RNA współistniały, co doprowadziło do powstania życia, a powstawanie białek pojawiło się/wystąpiło później.

Jednak autor chce spekulować inny scenariusz, w którym wszystkie trzy ważne makrocząsteczki biologiczne, a mianowicie. DNA, RNA i białko istniały razem w pierwotnej zupie. Brudne warunki, które istniały w pierwotnej zupie, związane z chemiczną naturą powierzchni ziemi, erupcjami wulkanów i obecnością gazów, takich jak amoniak, metan, tlenek węgla, dwutlenek węgla wraz z wodą, mogły być idealne do powstania wszystkich makrocząsteczek. Wskazówki na to dostarczyły badania przeprowadzone przez Ferusa i in., gdzie nukleozasady powstawały w tej samej redukującej atmosferze⁹ używany w eksperymencie Millera-Ureya. Jeśli wierzyć w tę hipotezę, to w toku ewolucji różne organizmy przyjęły taki lub inny materiał genetyczny, który sprzyjał ich istnieniu naprzód.

Jednakże, gdy próbujemy zrozumieć pochodzenie form życia, potrzebne są dalsze badania, aby odpowiedzieć na podstawowe i istotne pytania dotyczące tego, jak powstało i rozprzestrzeniło się życie. Wymagałoby to „nieszablonowego” podejścia, bez polegania na jakichkolwiek uprzedzeniach wprowadzonych w naszym myśleniu przez obecne dogmaty stosowane w nauce.

***

Referencje:

1. Miller S., 1953. Produkcja aminokwasów w możliwych prymitywnych warunkach ziemskich. Nauka. 15 maja 1953: t. 117, wydanie 3046, s. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. i wsp. 2003. Zupa prebiotyczna – powrót do eksperymentu Millera. Nauka 02 maja 2003: tom. 300, wydanie 5620, s. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Miller SL i Urey HC, 1959. Synteza związków organicznych na pierwotnej Ziemi. Nauka 31 lipca 1959: tom. 130, wydanie 3370, s. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Skład atmosfery i klimat na wczesnej Ziemi. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733-1741 (2006). Opublikowano: 07 września 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Ponowna ocena prebiotycznej syntezy organicznej w neutralnych atmosferach planetarnych. Orig Life Evol Biosph 38:105-115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Sekwencja pośrednia RNA Tetrahymena jest enzymem. Nauka 31 stycznia 1986: tom. 231, wydanie 4737, s. 470–475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. Nauka 08 kwietnia: Cz. 332, wydanie 6026, s. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Synteza aktywowanych rybonukleotydów pirymidynowych w warunkach prawdopodobnych prebiotycznie. Natura 459, 239-242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Tworzenie zasad nukleinowych w atmosferze redukującej Millera-Ureya. PNAS 25 kwietnia 2017 r. 114 (17) 4306-4311; po raz pierwszy opublikowano 10 kwietnia 2017 r. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. i in. 2020 Selektywne prebiotyczne tworzenie pirymidyny RNA i DNA nukleozydy purynowe. Natura 582, 60–66 (2020). Opublikowano: 03 czerwca 2020 r. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***