Według hipotezy świata RNA, życie rozpoczęło się, gdy cząsteczki RNA ewoluowały zdolność do tworzenia więcej kopii siebie. Teraz odkryliśmy cząsteczkę RNA, która jest prawie zdolna to zrobić – może przeprowadzać kluczowe kroki zaangażowane, ale nie wszystkie naraz.
„To było długie poszukiwanie, aby dojść do tego punktu, w którym można przekonać się, że RNA ma zdolność do samodzielnego tworzenia się w odpowiednich warunkach. Myślę, że to pokazuje, że to jest możliwe” – mówi Philipp Holliger z Laboratorium Biologii Molekularnej MRC w Cambridge, Wielka Brytania.
W komórkach żywych białka wykonują kluczowe zadania, takie jak katalizowanie reakcji chemicznych, a przepisy na ich produkcję przechowywane są w dwuniciowych cząsteczkach DNA. RNA to chemicznie spokrewniona z DNA cząsteczka, która zazwyczaj istnieje w postaci pojedynczych nici.
Nie jest tak dobre do przechowywania informacji jak DNA, ponieważ jest mniej stabilne, ale może zrobić coś, czego nie może zrobić DNA: złożyć się, aby tworzyć enzymy przypominające białka, które mogą katalizować reakcje chemiczne. Ponieważ RNA może zarówno przechowywać informacje, jak i działać jako katalizator, sugerowano już na początku lat 60., że życie mogło zacząć się od cząsteczek RNA zdolnych do katalizowania ich własnego powstawania.
Ale znalezienie takich cząsteczek okazało się naprawdę trudne. Naukowcy długo zakładali, że samoreplikujące się RNA muszą być względnie duże i złożone, ale okazało się, że bardzo trudno jest rozwinać duże cząsteczki RNA dla ich replikacji.
„Czyli doszliśmy do wniosku, że może się mylimy. Może coś proste, coś niewielkiego, może przeprowadzić ten proces” – mówi Holliger. „I tak zaczęliśmy szukać i znaleźliśmy jedno.”
RNA składa się z jednostek budujących zwanych nukleotydami. Zespół rozpoczął od wygenerowania biliona losowych sekwencji o długości 20, 30 lub 40 nukleotydów. Z tych wybrano trzy, które mogły przeprowadzać reakcje, takie jak łączenie nukleotydów. Trzy zostały połączone i poddane kilku rundom ewolucji – losowo zmieniając, lub mutując, części sekwencji i wybierając lepiej działające warianty.
Powstała cząsteczka, nazwana QT45, ma zaledwie 45 nukleotydów. W wodzie alkalicznej tuż powyżej zamarzania, może używać jednoniciowego RNA jako szablonu do tworzenia komplementarnych nici poprzez łączenie krótkich nici składających się z dwóch lub trzech nukleotydów, w tym tworząc sekwencję komplementarną do własnej. „Obecnie jest dość wolne i niskowydajne, ale to nie jest niespodzianka” – mówi Holliger.
QT45 może również tworzyć więcej kopii siebie z tych komplementarnych nici. „To po raz pierwszy kawałek RNA, który może zrobić siebie i swoją kodującą nić, a to są dwa składniki reakcji samoreplikacji” – mówi Holliger. Jednak do tej pory zespół nie zdołał spowodować obu reakcji w tej samej komórce. Planuje się teraz zarówno ewolucję cząsteczki, jak i eksperymentowanie z warunkami, takimi jak cykle mrożenie-odmrażanie, aby zobaczyć, czy obie reakcje mogłyby wystąpić jednocześnie.
„Najbardziej ekscytujące jest to, że gdy system zacznie samoreplikować, powinien stać się samooptymalizującym się” – mówi Holliger. Ponieważ obarczony błędami proces wydrukuje wiele wariacji, z których kilka może działać lepiej, produkując więcej siebie, i tak dalej.
„Nowe wyniki z laboratorium Holligera są wyjątkowe i stanowią znaczący postęp, zbliżając się jeszcze bardziej do w pełni samoreplikującego się RNA” – mówi Sabine Müller z Uniwersytetu Greifswald w Niemczech.
„A być może najbardziej istotny aspekt tego odkrycia polega na odkryciu umiarkowanie dużego sekwencji oligomeru RNA z tymi zdolnościami samosyntezy” – mówi Zachary Adam z Uniwersytetu Wisconsin-Madison.
Liczba sekwencji RNA o długości 45 nukleotydów sama w sobie jest „niewyobrażalnie duża” – zauważa Adam, więc zespół zrobił dobrze, aby znaleźć QT45 z punktu wyjścia tylko z biliona losowych sekwencji.
Na wczesnej Ziemi cząsteczki podobne do QT45 mogłyby mieć zdolność samoreplikacji w środowisku nieco przypominającym dzisiejszą Islandię, mówi Holliger, z obecnością lodu, ale także aktywności hydrotermalnej, aby napędzać cykle mrożenia-odmrażania oraz tworzyć gradienty pH. Jakieś rodzaje kompartmentalizacji byłyby potrzebne do izolacji kluczowych komponentów, myśli, ale istnieje wiele sposobów, w jaki to może nastąpić, od kieszonki topniejącej w lodzie po tworzenie się spontaniczne pęcherzyki komórkopodobne z kwasów tłuszczowych.
Tematy: chemia / pochodzenie życia.
