Biolozi, kemičari, pa čak i matematičari, dugi niz desetljeća rade na problemu podrijetla života. I premda već postoje znanstveno utemeljene i podržane hipoteze kemijske evolucije prije pojave prve stanice, rad u tom smjeru nastavlja se. "Lenta.ru" govori o novoj studiji o problemu svijeta RNA, čiji su rezultati objavljeni u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences.
Znanstvenici Sveučilišta Portland State, provodeći eksperimente na ribozimima, otkrili su da sposobnost tih molekula da kataliziraju vlastiti skup ovisi o njihovoj interakciji s drugim sličnim molekulama. Studija posredno podupire hipotezu svijeta RNA, koja kaže da je prva organska molekula koja je postala osnova za prve stanice bila RNA. Te se molekule RNA mogle samo-sintetizirati, nadmetati se jedna s drugom i sudjelovati u prebiotičkoj evoluciji, kada su najuspješniji spojevi postali osnova za složenije kemijske komplekse.
Mnogi ljudi znaju da žive stanice imaju svoje posebne katalizatore: enzime, koji su složeno proteinske molekule koje provode vitalne reakcije. Međutim, enzimi mogu biti ne samo proteini, već i lanci RNA. Podsjetimo da je RNA nukleinska kiselina vrlo slična DNK, ali se od nje razlikuje po tome što sadrži šećer riboze (ne deoksiribozu), a jedna od dušičnih baza, timin, zamijenjena je uracilom. Prema znanstvenicima, RNA se pojavila prije DNK, jer je mnogo labilnija (njegova je struktura osjetljivija na promjene) i može provoditi katalitičke reakcije bez pomoći proteina. Molekule RNA koje su enzimi nazivaju ribozimima. Ribozimi obično kataliziraju cijepanje sebe ili drugih molekula RNA.
Jedan od najgledanijih ribozima je Azo, enzim koji su napravili znanstvenici iz samorezujuće skupine I introni koji se nalaze u DNK bakterije Azoarcus. Introni su regije gena koji ne sadrže podatke o slijedu proteina ili nukleinske kiseline i eksciziraju se tijekom sazrijevanja glasnika RNA (mRNA). Svi introni skupine I kataliziraju svoju eksciziju iz RNA sekvence. Intronski ribozim Azo koji je zanimljiv znanstvenicima nalazi se u genu koji kodira transportnu RNA (tRNA) koji nosi izoleucin aminokiseline. Unutar stanice Azo, kao i drugi ribozimi, vrši vlastitu eksciziju iz tRNA, ali u laboratorijskim uvjetima uspio je naučiti izvesti obrnuto spajanje: ribozim siječe na određenom mjestu supstrat - kratku molekulu RNK s određenom nukleotidnom sekvencom,od kojih dijelovi ostaju vezani za Azo.
Struktura ribozima iz bakterije Azoarcus. Crveni fragment IGS je označen crvenom bojom
Slika: Jessica AM Yeates i sur. Odjel za kemiju, Portland State University
Azo je dugačak oko 200 nukleotida i može se razgraditi na dva, tri ili četiri fragmenta koji se spontano spoje na 42 stupnja Celzija u prisutnosti otopine MgCl2. Proces samo-sklapanja započinje interakcijom između dvije nukleotidne trojke (trostruke) koje pripadaju različitim fragmentima RNA. Kad se između trostrukih tvore vodikove veze prema principu komplementarnosti, dijelovi ribozima mijenjaju svoju prostornu strukturu i ponovno se ujedinjuju. Znanstvenici su se usredotočili na reakciju samo-sklapanja dvaju fragmenata, koji su navodno nazvani WXY i Z, gdje W, X, Y i Z predstavljaju zasebne regije ribozima u dužini od približno 50 nukleotida (Sl. 1). Na mjestu W, na prednjem kraju molekule RNA, nalazi se jedna od trostrukih vrsta,koji sudjeluje u pokretanju samo-sklapanja i naziva se "unutarnjim vodičem slijed" (IGS). Na kraju WXY nalazi se triplet oznaka, koji u interakciji s IGS-om tvori jaku kovalentnu vezu sa fragmentom Z.
Promotivni video:
Istraživači su stvorili različite varijante (genotipove) WXY fragmenata mijenjanjem nukleotida koji se nalaze u sredini IGS-a i označavaju trostruke (nukleotide M i N, respektivno). Budući da se molekule RNA obično formiraju od samo četiri vrste nukleotida, postoji 16 takvih varijanti. Na primjer, jedan od genotipova može biti 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', a drugi 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Sve ove varijante molekula mogu se natjecati jedna s drugom, tvoreći različite metaboličke mreže, u kojima je za obnavljanje čitavog ribozima potrebno zajednički resurs - Z molekula.
Reakcija između različitih fragmenata Azo ribozima za stvaranje čitave molekule
Slika: Jessica AM Yeates i sur. Odjel za kemiju, Portland State University.
Znanstvenici su u svojim eksperimentima prvo testirali sposobnost svakog genotipa da se samostalno sastavi. Kada M i N tvore Watson-Crick parove (to jest prema principu komplementarnosti, A - U, C - G), brzina samo-sastavljanja ribozima postaje veća nego kod ostalih vrsta parova. Istraživači su zatim simulirali toplo okruženje "malog ribnjaka" u kojem različite prebiotske molekule međusobno djeluju kako bi ostvarile koristi jedna od druge i ubrzale samoorganizaciju. Biokemičari su pratili ponašanje genotipova uparenih jedni s drugima, ukupno su znanstvenici proučavali 120 parova, koji su se sastojali od dvije različite WXY varijante. Mjerili su brzinu svake reakcije koja se odvijala između molekula dva WXY genotipa i Z fragmenata unutar zasebnih epruveta tijekom 30 minuta.
Interakcija između nizova različitih fragmenata ribozima pomoću vodikovih veza
Slika: Jessica AM Yeates i sur. Odjel za kemiju, Portland State University
Kombinirajući rezultate u obje faze eksperimenta i dobivajući stope samo-sastavljanja kada međusobno djeluju dva različita genotipa, istraživači su postavili evolucijski eksperiment. Parovi genotipova su pomiješani u jednakim omjerima, dobiveni su Z-fragmentima i međusobno su reagirali pet minuta. Za to vrijeme, znanstvenici su uzorkovali 10 posto otopine u novu epruvetu, koja je sadržavala više nereagiranih WXY svakog genotipa i Z-fragmenata. Znanstvenici su pratili omjere svakog WXYZ genotipa tijekom osam takvih prijenosa. To je omogućilo procjenu kemijskog ekvivalenta evolucijskog uspjeha ribozima u generacijama, što se promatralo kao "eksplozija" - to jest snažno povećanje brzine samo-sklapanja RNA. U evolucijskom eksperimentu biolozi su proučavali interakciju sedam parova ribozima.
Na temelju svih laboratorijskih eksperimenata, znanstvenici su dobili matematički model diferencijalnih jednadžbi koji uzimaju u obzir brzinu samosastavljanja genotipova sa ili bez prisustva drugih genotipova. Ovaj je model postao osnova za novu teoriju evolucijskih igara, koja definira nekoliko ponašanja molekula RNA. U jednom slučaju, nazvanom "dominacija", jedan od genotipova uvijek je češći od drugog, dok brzina njegova samo-sastavljanja uvijek prelazi brzinu od konkurenta. U drugom slučaju - "Suradnja" - oba genotipa koji međusobno djeluju dobivaju koristi od "suradnje", a brzina njihovog samo-sastavljanja prelazi onu koju bi imali odvojeno jedan od drugog. "Sebični scenarij" - upravo suprotno "Suradnji" - znači da svaki ribozim pojedinačno dobije više nego u interakciji s nekim drugim. I konačnou "Kontra-dominaciji", genotip s niskom stopom samo-sastavljanja odjednom se počinje češće pojavljivati od svog konkurenta.
Ova studija nema za cilj direktno dokazivanje hipoteze o RNA svijetu, ali predstavlja još jedan dio u zagonetki znanstvenog razumijevanja prebiotske evolucije. Prvi put je pokazano da se enzimatska svojstva pojedinih molekula mogu poboljšati u prisutnosti drugih molekula koje se razlikuju po samo jednom ili dva nukleotida. U gigantskom rješenju koje je Zemljin ocean bio u zoru života, te su se molekule međusobno nadmetale za supstrate, surađivale i intenzivirale svoje djelovanje. Na temelju toga već se može pretpostaviti zašto su se složeni organski spojevi pokušali ujediniti u sustave koji su prototipovi prvih stanica.
Aleksandar Enikeev