‘Several questions about origin of life have been answered, but much remains to be studied’’ said Stanley Miller and Harold Urey way back in 1959 after reporting laboratory synthesis of amino acids in primitive earth conditions. Many advances down the line yet the scientists have long been grappling with a fundamental question – which genetic material was first to be formed on the primitive earth, DNA or RNA, or a bit of both? There is evidence now to suggest that DNA και RNA both may have co-existed in the primordial soup from where the life forms may have evolved with respective genetic materials.
Το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας δηλώνει ότι DNA κάνει RNA κάνει πρωτεΐνες. Πρωτεΐνες are responsible for majority, if not all the reactions taking place in an organism. The entire functionality of an organism is majorly dependent upon their presence and interaction of πρωτεΐνη molecules. According to central dogma, πρωτεΐνες are produced by the information contained in DNA which is converted to functional πρωτεΐνη via a messenger called RNA. However, it is possible that πρωτεΐνες themselves can survive independently without any DNA or RNA, as is the case with prions (misfolded πρωτεΐνη molecules that do not contain DNA or RNA), but can survive on their own.
Έτσι, μπορεί να υπάρχουν τρία σενάρια για την προέλευση της ζωής.
A) If the πρωτεΐνες or its building blocks were able to form abiotically during the atmosphere that existed billions of years ago in primordial soup, πρωτεΐνες can be termed as the basis of προέλευση της ζωής. Τα πειραματικά στοιχεία υπέρ του προέρχονται από το περίφημο πείραμα του Stanley Miller1, 2, που έδειξε ότι όταν ένα μείγμα μεθανίου, αμμωνίας, νερού και υδρογόνου αναμειγνύεται μαζί και κυκλοφορεί μετά από ηλεκτρική εκκένωση, σχηματίζεται ένα μείγμα αμινοξέων. Αυτό επιβεβαιώθηκε και πάλι επτά χρόνια αργότερα3 in 1959 by Stanley Miller and Harold Urey stating that the presence of reducing atmosphere in primordial earth gave rise to synthesis of οργανικές compounds in the presence of above-mentioned gases plus smaller amounts of carbon monoxide and carbon dioxide. The relevance of Miller-Urey experiments was questioned by the scientific fraternity for a number of years, who thought that the gas mixture used in their research was too reducing with respect to the conditions that existed on primordial Earth. A number of theories pointed towards a neutral atmosphere containing an excess of CO2 with N2 and water vapor4. Ωστόσο, μια ουδέτερη ατμόσφαιρα έχει επίσης αναγνωριστεί ως εύλογο περιβάλλον για τη σύνθεση αμινοξέων5Ε Επιπλέον, για πρωτεΐνες to act as origins of life, they need to self-replicating leading to a combination of different πρωτεΐνες to cater to different reactions taking place in an organism.
Β) Αν η αρχέγονη σούπα παρείχε συνθήκες για δομικά στοιχεία του DNA και / ή RNA to be formed, then either of these could have been the genetic material. The research until now favoured RNA to be the genetic material for the origin of life forms due to their capability of folding upon itself, existing as a single strand and acting as an enzyme6, capable of making more RNA molecules. A number of self-replicating RNA enzymes7 have been discovered over the years suggesting RNA to be the starting genetic material. This was further strengthened by the research performed by John Sutherland’s group that led to the formation of two bases of RNA in an environment similar to primordial soup by including phosphate in the mixture8. Ο σχηματισμός δομικών στοιχείων RNA έχει επίσης αποδειχθεί με την προσομοίωση μιας αναγωγικής ατμόσφαιρας (που περιέχει αμμωνία, μονοξείδιο του άνθρακα και νερό), παρόμοια με εκείνη που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα του Miller-Urey και στη συνέχεια περνώντας ηλεκτρικές εκκενώσεις και λέιζερ υψηλής ισχύος μέσω αυτών9. If RNA is to be believed to be the originator, then when and how did DNA and proteins come into being? Did DNA develop as a genetic material later because of the unstable nature of RNA and proteins followed suit. Answers to all these questions still remain unanswered.
Γ) Το τρίτο σενάριο ότι DNA και RNA μπορούν να συνυπάρχουν στην αρχέγονη σούπα που οδήγησε στην προέλευση της ζωής προήλθε από μελέτες που δημοσιεύθηκαν στις 3rd June 2020 by John Sutherland’s group from the MRC Laboratory at Cambridge, UK. The researchers simulated the conditions that existed on a primordial Earth billions of years ago, with shallow ponds in the lab. They first dissolved chemicals that form RNA in water, followed by drying and heating them and then subjecting them to UV radiation that simulated sun’s rays existing in primordial time. This not only led to the synthesis of the two building blocks of RNA αλλά και του DNA, suggesting that both nucleic acids co-existed at the time of origin of life10.
Με βάση τη σύγχρονη γνώση που υπάρχει σήμερα και τιμώντας το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας, φαίνεται εύλογο ότι το DNA και το RNA συνυπήρξαν που οδήγησαν στην προέλευση της ζωής και στο σχηματισμό πρωτεϊνών ήρθε/εμφανίστηκε αργότερα.
Ωστόσο, ο συγγραφέας επιθυμεί να εικάσει ένα άλλο σενάριο όπου και τα τρία σημαντικά βιολογικά μακρομόρια, π.χ. DNA, RNA και πρωτεΐνη υπήρχαν μαζί στην αρχέγονη σούπα. Οι ακατάστατες συνθήκες που υπήρχαν στην αρχέγονη σούπα που αφορούσαν τη χημική φύση της επιφάνειας της γης, τις ηφαιστειακές εκρήξεις και την παρουσία αερίων όπως η αμμωνία, το μεθάνιο, το μονοξείδιο του άνθρακα, το διοξείδιο του άνθρακα μαζί με το νερό μπορεί να ήταν ιδανικές για να σχηματιστούν όλα τα μακρομόρια. Μια υπόδειξη αυτού έχει δοθεί από έρευνα που έγινε από τους Ferus et al., όπου οι νουκλεοβάσεις σχηματίστηκαν στην ίδια αναγωγική ατμόσφαιρα9 χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα του Miller-Urey. Αν θέλουμε να πιστέψουμε σε αυτή την υπόθεση, τότε κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, διαφορετικοί οργανισμοί υιοθέτησαν το ένα ή το άλλο γενετικό υλικό, που ευνόησε την ύπαρξή τους προς τα εμπρός.
Ωστόσο, καθώς προσπαθούμε να κατανοήσουμε την προέλευση των μορφών ζωής, απαιτείται πολύ περαιτέρω έρευνα για να απαντηθούν τα θεμελιώδη και σχετικά ερωτήματα σχετικά με το πώς δημιουργήθηκε και διαδόθηκε η ζωή. Αυτό θα απαιτούσε μια «εκτός πλαισίου» προσέγγιση χωρίς να βασιζόμαστε σε προκαταλήψεις που εισάγονται στη σκέψη μας από τα τρέχοντα δόγματα που ακολουθούνται στην επιστήμη.
***
αναφορές:
1. Miller S., 1953. A Production of Amino Acids under Possible Primitive Earth Conditions. Επιστήμη. 15 Μαΐου 1953: Τόμ. 117, Τεύχος 3046, σελ. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotic Soup–Revisiting the Miller Experiment. Science 02 Μαΐου 2003: Vol. 300, Τεύχος 5620, σελ. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL και Urey HC, 1959. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Science 31 Ιουλίου 1959: Vol. 130, Τεύχος 3370, σσ. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Ατμοσφαιρική σύνθεση και κλίμα στην πρώιμη Γη. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Δημοσιεύθηκε: 07 Σεπτεμβρίου 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. A reassesment of prebiotic organic synthesis in ουδέτερες πλανητικές ατμόσφαιρες. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. The intervening sequence RNA of Tetrahymena is an enzyme. Science 31 Jan 1986: Vol. 231, Issue 4737, pp. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. Science 08 Apr: Vol. 332, Τεύχος 6026, σελ. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Σύνθεση ενεργοποιημένων ριβονουκλεοτιδίων πυριμιδίνης σε προβιοτικά αληθοφανείς συνθήκες. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Σχηματισμός νουκλεοβάσεων σε αναγωγική ατμόσφαιρα Miller–Urey. PNAS 25 Απριλίου 2017 114 (17) 4306-4311; πρώτη δημοσίευση στις 10 Απριλίου 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature 582, 60–66 (2020). Published: 03 June 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
