Chemiaści z UCL wykazali, jak dwa z najbardziej fundamentalnych składników biologii, RNA (kwas rybonukleinowy) i aminokwasy, mogły spontanicznie połączyć się na początku życia cztery miliardy lat temu.
Aminokwasy są podstawowymi składnikami białek, „wołami roboczymi” życia niezbędnymi do prawie każdego procesu życiowego. Ale białka nie mogą replikować się ani produkować same siebie – wymagają instrukcji. Te instrukcje są dostarczane przez RNA, bliskiego chemicznego kuzyna DNA (kwas deoksyrybonukleinowy).
W nowym badaniu, opublikowanym w Nature, badacze chemicznie połączyli aminokwasy życia z RNA w warunkach, które mogły wystąpić na wczesnej Ziemi – osiągnięcie, które umkneło naukowcom od początku lat 70.
Starszy autor, profesor Matthew Powner, z Wydziału Chemii UCL, powiedział: „Życie polega na zdolności do syntezy białek – są to kluczowe cząsteczki funkcjonalne życia. Zrozumienie pochodzenia syntezy białek jest fundamentalne dla zrozumienia, skąd pochodzi życie.
„Nasze badanie to duży krok w kierunku tego celu, pokazując, jak RNA mogło najpierw zacząć kontrolować synteze białek.
„Życie dzisiaj używa ogromnej, skomplikowanej maszyny molekularnej, rybosomu, do syntezy białek. Ta maszyna wymaga instrukcji chemicznych zapisanych w RNA przekaźnikowym, które przenosi sekwencję genu z DNA komórki do rybosomu. Rybosom następnie, jak taśma montażowa fabryki, czyta to RNA i łączy ze sobą aminokwasy, jeden po drugim, aby stworzyć białko.
„Osiągnęliśmy pierwszą część tego złożonego procesu, używając bardzo prostej chemii w wodzie o obojętnym pH, aby połączyć aminokwasy z RNA. Chemia jest spontaniczna, selektywna i mogła wystąpić na wczesnej Ziemi.”
Poprzednie próby przyłączenia aminokwasów do RNA używały wysoko reaktywnych cząsteczek, ale rozkładały się one w wodzie i powodowały reakcję aminokwasów ze sobą, zamiast połączenia się z RNA.
W nowym badaniu naukowcy zainspirowali się biologią, używając łagodniejszej metody do przekształcenia aminokwasów życia w formę reaktywną. Aktywacja ta polegała na thiosterze, związkach chemicznych o wysokiej energii ważnych w wielu procesach biochemicznych życia, które już teoretyzowano, że odgrywają rolę na początku życia*.
Profesor Powner powiedział: „Nasze badanie łączy dwie prominentne teorie pochodzenia życia – „świat RNA”, gdzie samoreplikujące się RNA jest proponowane jako fundamentalne, i „świat thiosterów”, w których thiostery są postrzegane jako źródło energii dla najwcześniejszych form życia.”
Aby utworzyć te thiostery, aminokwasy reagują z związkiem zawierającym siarkę, zwany panteteiną. W zeszłym roku ten sam zespół opublikował artykuł, w którym pokazał, że panteteina może być syntetyzowana w warunkach podobnych do wczesnej Ziemi, sugerując, że prawdopodobnie odegrała rolę w rozpoczęciu życia.
Według badaczy, następnym krokiem było ustalenie, jak sekwencje RNA mogą wiązać się preferencyjnie z konkretnymi aminokwasami, aby RNA mogło zacząć kodować instrukcje dotyczące syntezy białek – pochodzenia kodu genetycznego.
„Istnieje wiele problemów do rozwiązania, zanim w pełni wyjaśnimy pochodzenie życia, ale najbardziej wyzwanie i ekscytujące pozostaje pochodzenie syntezy białek” – powiedział profesor Powner.
Pierwszy autor, dr Jyoti Singh, z UCL Chemistry powiedział: „Wyobraź sobie dzień, w którym chemicy mogliby stworzyć proste, małe cząsteczki, składające się z atomów węgla, azotu, wodoru, tlenu i siarki, i z tych klocków LEGO stworzyć cząsteczki zdolne do samoreplikacji. To byłby monumentalny krok w kierunku rozwiązania zagadki pochodzenia życia.
„Nasze badanie przybliża nas do tego celu, pokazując, jak dwa prymitywne chemiczne klocki LEGO (aktywowane aminokwasy i RNA) mogły zbudować peptydy**, krótkie łańcuchy aminokwasów niezbędne do życia.
„To, co jest szczególnie przełomowe, to fakt, że użyty w tym badaniu aktywowany aminokwas to thioster, rodzaj cząsteczki wykonanej z Coenzymu A, substancji chemicznej znajdywanej we wszystkich komórkach żywych. Odkrycie to potencjalnie mogłoby połączyć metabolizm, kod genetyczny i budowanie białek.”
Chociaż praca skupia się wyłącznie na chemii, zespół badawczy powiedział, że reakcje, które zademonstrowali, mogłyby zgodnie z prawdopodobieństwem zajść w basenach lub jeziorach wody na wczesnej Ziemi (ale nie prawdopodobnie w oceanach, ponieważ stężenia substancji chemicznych prawdopodobnie byłyby zbyt rozcieńczone).
Reakcje są zbyt małe, aby je zobaczyć pod mikroskopem światła widzialnego i były śledzone za pomocą różnych technik, które służą do sondowania struktury cząsteczek, w tym kilku rodzajów obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (pokazującej, jak są ułożone atomy) i spektrometrii mas (pokazującej rozmiar cząsteczek).
Uwagi
*Laureat Nagrody Nobla Christian de Duve zaproponował, że życie rozpoczęło się „światem thiosterów” – teorią podporządkowania metabolizmu, która zakłada, że życie rozpoczęło się przez reakcje chemiczne napędzane energią w thiosterach.
** Peptydy zazwyczaj składają się z dwóch do 50 aminokwasów, podczas gdy białka są większe, często zawierają setki lub nawet tysiące aminokwasów, i są składane w trójwymiarowy kształt. W ramach badania zespół badawczy pokazał, jak po obciążeniu aminokwasów do RNA, mogli syntetyzować z innymi aminokwasami, aby tworzyć peptydy.
Praca była finansowana przez Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Simons Foundation i Royal Society.
