Niedawne odkrycia wskazują, że chiralność cząsteczek, kluczowa dla struktury życia, mogła nie być tak ustalona na wczesnej Ziemi, jak wcześniej sądzono, co sugeruje bardziej wszechstronne i dające się przystosować pochodzenie życia.
- Nowy artykuł badaczy z Uniwersytet Kalifornijski I NASACentrum Lotów Kosmicznych Goddarda oferuje nowy wgląd w tajemnicę życia.
- Poprzednie eksperymenty skupiające się na istniejących strukturach biologii molekularnej sugerują, że życie jest predysponowane do homochiralności molekularnej: preferencji dla „jednej ręki”, jak widzimy dzisiaj.
- Nowe badania skupiły się na konstrukcjach, które mogły znajdować się w pobliżu podczas RNA sugeruje, że początkowo RNA nie było predysponowane chemicznie do jednej chiralnej formy aminokwasy.
Odkrywanie podstaw asymetrii życia
Czy życie na Ziemi mogło przybrać zupełnie inną formę, aż do kodu genetycznego i białek tworzących nasze ciała? I czy to możliwe, że rozwój życia zależy od tego, czy te cząsteczki są „leworęczne”, czy „praworęczne”?
Nowe badania opublikowane w Komunikacja przyrodnicza przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) i należącego do NASA Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda rzuca światło na tę fundamentalną kwestię. Badanie sugeruje, że najwcześniejsze życie na Ziemi mogło przybrać inny kształt, a jego rezultatem był w zasadzie chemiczny rzut monetą.
Rola chiralności w biologii molekularnej
W chemii wiele cząsteczek występuje w dwóch postaciach lustrzanego odbicia, podobnie jak lewa i prawa ręka. Pomimo podobieństw formy te – zwane cząsteczkami chiralnymi – nie są identyczne i nie można ich nakładać na siebie. Ta wyjątkowa właściwość, zwana chiralnością, odgrywa kluczową rolę w strukturze i funkcjonowaniu elementów budulcowych życia.
Chiralność występuje w cukrach – szczególnie w „rybozie”. DNA (dezoksyrybonukleinowy kwas) i RNA (kwas rybonukleinowy) – a także około 20 powszechnych aminokwasów, które stanowią elementy budulcowe wszystkich białek realizujących instrukcje genetyczne.
Całe życie na Ziemi składa się z „praworęcznych” cukrów i „leworęcznych” aminokwasów.
Istnieją również ich lustrzane odpowiedniki. Teoretycznie te geometryczne bliźniacze cząsteczki, znane jako enancjomery, mogą również działać jako elementy budulcowe życia. Ale tutaj, na Ziemi, wszystkie cząsteczki biorące udział w życiu mają wyłącznie tę samą chiralność.
Hipoteza świata RNA i eksperymenty molekularne
Uważa się, że prawoskrętne cukry w DNA i RNA oraz lewoskrętne aminokwasy wyewoluowały tak, aby współdziałać ze sobą w czasach wczesnej Ziemi, gdzie jednoniciowy RNA mógł być pierwszymi cząsteczkami, z których powstał DNA i aminokwasy. Ten hipotetyczny okres około 4 miliardów lat temu jest często nazywany „światem RNA”.
Poprzednie eksperymenty sugerowały, że życie jest predysponowane do homochiralności molekularnej – preferencji dla „jednoręczności”, jak widzimy dzisiaj – ale badania te skupiały się na istniejących strukturach biologii molekularnej.
Nowe badania skupiły się na strukturach, które mogły istnieć w świecie RNA. Ich eksperymenty skupiały się na rybozymach – małych fragmentach RNA, o których wiadomo, że katalizują reakcje chemiczne. Naukowcy chcieli sprawdzić, czy prawoskrętne rybozymy zawsze budują lewoskrętne aminokwasy, czy też występują jakieś różnice.
Nowe spojrzenie na elastyczność RNA
Aby przetestować swoją hipotezę, badacze symulowali warunki panujące na Ziemi we wczesnych stadiach RNA. Inkubowali roztwór zawierający rybozymy i prekursory aminokwasów, aby sprawdzić względny procent prawoskrętnej i lewoskrętnej wersji fenyloalaniny – aminokwasu, który roztwór pomógł wytworzyć. Po przetestowaniu 15 różnych rybozymów odkryli, że rybozymy prawoskrętne mogą faworyzować aminokwasy lewoskrętne lub prawoskrętne. Sugeruje to, że RNA początkowo nie miał predysponowanej skłonności chemicznej do jednej chiralnej formy aminokwasów.
„Wcześniejsze prace w tej dziedzinie inspirowane były bardziej strukturami chemicznymi w naszej istniejącej biologii, podczas gdy w naszym badaniu analizowaliśmy dowolne RNA, które reagowałyby z aktywowanym aminokwasem w dowolnej pozycji wzdłuż nici” – powiedziała kierownik badania Irene Chen, profesor chemii i inżynierii biomolekularnej w Szkole Inżynierskiej UCLA Samueli. „Odkryliśmy, że te rybozymy, choć mają niewiele wspólnego z naszą obecną biologią, w rzeczywistości mogą stanowić potencjalną „drogę, którą nie podąża” życie na Ziemi”.
Konsekwencje dla życia pozaziemskiego i przyszłych badań
Ten brak preferencji podważa pogląd, że wczesne życie było predysponowane do wybierania aminokwasów lewoskrętnych, które dominują we współczesnych białkach. Badania dostarczają także wiedzy na temat poszukiwania sygnałów chemicznych świadczących o życiu pozaziemskim.
„Odkrycia sugerują, że ostateczna homochiralność życia może nie być wynikiem determinizmu chemicznego, ale mogła wyłonić się w wyniku późniejszych nacisków ewolucyjnych” – powiedział autor badania Alberto Vázquez-Salazar, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles i członek grupy badawczej Chena. „Ta praca podkreśla elastyczność i zdolność adaptacji RNA jako modelu do badania wczesnej ewolucji i pojawienia się życia, szczególnie w odniesieniu do początków homochiralności biologicznej”.
Historia Ziemi przed jej powstaniem wykracza poza najstarszą część zapisu kopalnego, który jest stale niszczony przez tektonikę płyt. W tym czasie planeta została prawdopodobnie zbombardowana przez asteroidy. Oprócz eksperymentów chemicznych inni badacze pochodzenia życia przyglądali się dowodom molekularnym pochodzącym z meteorytów.
„Zrozumienie właściwości chemicznych życia pomaga nam wiedzieć, czego szukać w poszukiwaniu życia w Układzie Słonecznym” – powiedział współautor Jason Dworkin, starszy naukowiec ds. astrobiologii w Goddard i dyrektor Laboratorium Analitycznego Astrobiologii.
Trwające badania NASA nad elementami składowymi życia
Dworkin jest naukowcem zajmującym się projektem w NASA OSIRIS-REx misja, która pobrała próbki z asteroidy Bennu i dostarczyła je na Ziemię w zeszłym roku w celu dalszych badań.
„Analizujemy próbki OSIRIS-REx pod kątem chiralności (zręczności) poszczególnych aminokwasów, a w przyszłości próbki z Mars zostaną również przetestowane w laboratoriach pod kątem dowodów życia, w tym rybozymów i białek” – powiedział Dworkin.
Badania były wspierane przez granty NASA, Simons Foundation Collaboration on the Origin of Life i National Science Foundation. Vázquez-Salazar dziękuje za wsparcie w ramach programu podoktoranckiego NASA, który jest administrowany przez Oak Ridge Associated Universities na podstawie umowy z NASA.
Inni autorzy artykułu to Josh Kenchel, Evan Janzen, Reno Wells i Krishna Brunton, byli członkowie grupy badawczej Chena na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara; Kyle Schultz, członek jej grupy na UCLA; Ziwei Liu, badacz z Uniwersytetu w Cambridge; Weiwei Li, absolwent Bren School of Environmental Science & Management na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara; oraz Eric Parker, astrochemik z Laboratorium Analitycznego Astrobiologii Goddarda.
Chen jest także zatrudniony na stanowisku wykładowcy na Wydziale Chemii i Biochemii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles.
Odniesienie: „Prebiotyczny transfer chiralny z samoaminoacylujących rybozymów może sprzyjać obu ręcznościom” autorstwa Josha Kenchela, Alberto Vázqueza-Salazara, Reno Wellsa, Krishna Brunton, Evan Janzen, Kyle M. Schultz, Ziwei Liu, Weiwei Li, Eric T. Parker, Jason P. Dworkin i Irene A. Chen, 12 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52362-x
