Początki życia pozostają tajemnicą, ale zespół z ORIGINS w Monachium odkrył mechanizm, który mógł ustabilizować pierwsze cząsteczki RNA w pierwotnej zupie. Łącząc dwie nici RNA, znacząco zwiększyły ich stabilność i żywotność, co mogło mieć kluczowe znaczenie dla rozwoju życia na Ziemi.
Nowe badanie dostarcza wglądu w pochodzenie życia
Początki życia nadal pozostają głęboką tajemnicą. W jaki sposób złożone cząsteczki utworzyły się i pozostały stabilne przez długi czas bez rozpadu? Zespół ORIGINS, klastra doskonałości z siedzibą w Monachium, odkrył mechanizm, który mógł pozwolić pierwszym RNA cząsteczki stabilizujące w pierwotnej zupie. Odkryli, że połączenie dwóch nici RNA znacznie zwiększa ich stabilność i żywotność.
Najprawdopodobniej życie na Ziemi rozpoczęło się w wodzie, być może w basenie pływowym, który podczas odpływu został odcięty od wody morskiej, ale zalany przez fale podczas przypływu. Przez miliardy lat złożone cząsteczki, takie jak DNA, RNA i białka powstały w tym ustawieniu, zanim ostatecznie pojawiły się pierwsze komórki. Do tej pory jednak nikt nie był w stanie dokładnie wyjaśnić, jak do tego doszło.
„Wiemy, jakie cząsteczki istniały na początku Ziemi” – mówi Job Boekhoven, profesor chemii supramolekularnej na Uniwersytecie Technicznym w Monachium (TUM). „Pytanie brzmi: czy możemy wykorzystać to do odtworzenia początków życia w laboratorium?” Zespół kierowany przez Boekhovena z klastra doskonałości ORIGINS interesuje się przede wszystkim RNA. „RNA to fascynująca cząsteczka” – mówi Boekhoven. „Może przechowywać informacje, a także katalizować reakcje biochemiczne”. Dlatego naukowcy uważają, że RNA musiało powstać jako pierwsza ze wszystkich złożonych cząsteczek.
Problem polega jednak na tym, że aktywne cząsteczki RNA składają się z setek, a nawet tysięcy zasad i są bardzo niestabilne. Po zanurzeniu w wodzie nici RNA szybko rozkładają się na części składowe – jest to proces znany jako hydroliza. Jak więc RNA mogło przetrwać w pierwotnej zupie?
Jak w pierwotnej zupie powstały podwójne pasma?
W testach laboratoryjnych naukowcy z TUM i LMU wykorzystali modelowy system zasad RNA, które łączą się ze sobą łatwiej niż zasady naturalnie występujące obecnie w naszych komórkach. „Nie dysponowaliśmy milionami lat i chcieliśmy szybko uzyskać odpowiedź” – wyjaśnia Boekhoven. Zespół dodał te szybko łączące się zasady RNA do wodnego roztworu, zapewnił źródło energii i zbadał długość powstałych cząsteczek RNA. Ich odkrycia były otrzeźwiające, ponieważ powstałe w ten sposób nici składające się z maksymalnie pięciu par zasad przetrwały zaledwie kilka minut.
Wyniki były jednak inne, gdy badacze rozpoczęli od dodania krótkich nici wcześniej utworzonego RNA. Wolne komplementarne zasady szybko połączyły się z tym RNA w procesie zwanym hybrydyzacją. Utworzyły się podwójne nici o długości od trzech do pięciu par zasad, które pozostały stabilne przez kilka godzin. „Ekscytujące jest to, że podwójne nici prowadzą do fałdowania RNA, co może sprawić, że RNA stanie się katalitycznie aktywne” – wyjaśnia Boekhoven. Dwuniciowy RNA ma zatem dwie zalety: ma dłuższą żywotność w pierwotnej zupie i służy jako podstawa dla katalitycznie aktywnego RNA.
Ale jak w pierwotnej zupie mogła powstać podwójna nić? „Obecnie badamy, czy RNA może tworzyć własną nić komplementarną” – mówi Boekhoven. Można sobie wyobrazić, że cząsteczka zawierająca trzy zasady łączy się z cząsteczką zawierającą trzy komplementarne zasady, których produktem byłby stabilny dwuniciowy. Dzięki przedłużonej żywotności można było z nią łączyć kolejne bazy, a pasmo rosła.
Ewolucyjna przewaga protokomórek
Inna cecha dwuniciowego RNA mogła pomóc w powstaniu życia. Po pierwsze należy zauważyć, że cząsteczki RNA mogą również tworzyć protokomórki. Są to maleńkie kropelki, których wnętrze jest całkowicie oddzielone od świata zewnętrznego. Jednak te protokomórki nie mają stabilnej błony komórkowej i tak łatwo łączą się z innymi protokomórkami, co powoduje mieszanie się ich zawartości. Nie sprzyja to ewolucji, ponieważ uniemożliwia indywidualnym protokomórkom rozwinięcie unikalnej tożsamości. Jeśli jednak granice tych protokomórek składają się z dwuniciowego DNA, komórki stają się bardziej stabilne i łączenie jest hamowane.
Spostrzeżenia mające zastosowanie także w medycynie
Job Boekhoven ma nadzieję w przyszłości na dalsze pogłębienie wiedzy na temat powstawania i stabilizacji pierwszych cząsteczek RNA. „Niektórzy traktują te badania jako swego rodzaju hobby. Jednak podczas pandemii Covid-19 wszyscy zobaczyli, jak ważne mogą być cząsteczki RNA, także w przypadku szczepionek” – mówi Boekhoven. „Tak więc, chociaż nasze badania mają na celu udzielenie odpowiedzi na jedno z najstarszych pytań nauki, to nie wszystko: generujemy także wiedzę o RNA, która może dziś przynieść korzyści wielu ludziom”.
Odniesienie: „Kopiowanie oparte na szablonach w dynamicznych bibliotekach kombinatorycznych zasilanych chemicznie” autorstwa Christine ME Kriebisch, Ludwig Burger, Oleksii Zozulia, Michele Stasi, Alexander Floroni, Dieter Braun, Ulrich Gerland i Job Boekhoven, 16 lipca 2024 r., Chemia Przyrody.
DOI: 10.1038/s41557-024-01570-5
