Μοριακή Προέλευση της Ζωής: Τι Σχηματίστηκε Πρώτα – Πρωτεΐνη, DNA ή RNA ή συνδυασμός τους;

«Πολλές ερωτήσεις σχετικά με την προέλευση της ζωής έχουν απαντηθεί, αλλά πολλά απομένουν να μελετηθούν», είπαν οι Stanley Miller και Harold Urey το 1959, αφού ανέφεραν εργαστηριακή σύνθεση αμινοξέων σε πρωτόγονες γήινες συνθήκες. Πολλές προόδους στη γραμμή, ωστόσο οι επιστήμονες αντιμετωπίζουν εδώ και καιρό ένα θεμελιώδες ερώτημα - ποιο γενετικό υλικό σχηματίστηκε για πρώτη φορά στην πρωτόγονη γη, DNA or RNA, ή λίγο από τα δύο; Υπάρχουν στοιχεία τώρα που το υποδηλώνουν DNA και RNA και τα δύο μπορεί να συνυπήρχαν στην αρχέγονη σούπα από όπου οι μορφές ζωής μπορεί να έχουν εξελιχθεί με αντίστοιχα γενετικά υλικά.

Το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας δηλώνει ότι DNA κάνει RNA κάνει πρωτεΐνες. Πρωτεΐνες είναι υπεύθυνες για τις περισσότερες, αν όχι όλες τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε έναν οργανισμό. Η όλη λειτουργικότητα ενός οργανισμού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την παρουσία και την αλληλεπίδρασή τους πρωτεΐνη μόρια. Σύμφωνα με το κεντρικό δόγμα, πρωτεΐνες παράγονται από τις πληροφορίες που περιέχονται σε DNA το οποίο μετατρέπεται σε λειτουργικό πρωτεΐνη μέσω ενός αγγελιοφόρου που ονομάζεται RNA. Ωστόσο, είναι πιθανό ότι πρωτεΐνες μπορούν να επιβιώσουν ανεξάρτητα χωρίς καμία DNA or RNA, όπως συμβαίνει με τα πριόν (αναδιπλωμένα σωστά πρωτεΐνη μόρια που δεν περιέχουν DNA or RNA), αλλά μπορούν να επιβιώσουν μόνα τους.

Έτσι, μπορεί να υπάρχουν τρία σενάρια για την προέλευση της ζωής.

Α) Εάν το πρωτεΐνες ή τα δομικά του στοιχεία μπόρεσαν να σχηματιστούν αβιοτικά κατά τη διάρκεια της ατμόσφαιρας που υπήρχε πριν από δισεκατομμύρια χρόνια στην αρχέγονη σούπα, πρωτεΐνες μπορεί να ονομαστεί ως βάση του προέλευση της ζωής. Τα πειραματικά στοιχεία υπέρ του προέρχονται από το περίφημο πείραμα του Stanley Miller^{1, 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 το 1959 από τους Stanley Miller και Harold Urey δηλώνοντας ότι η παρουσία αναγωγικής ατμόσφαιρας στην αρχέγονη γη οδήγησε στη σύνθεση οργανικές ενώσεις παρουσία των προαναφερθέντων αερίων συν μικρότερες ποσότητες μονοξειδίου του άνθρακα και διοξειδίου του άνθρακα. Η συνάφεια των πειραμάτων Miller-Urey αμφισβητήθηκε από την επιστημονική αδελφότητα για αρκετά χρόνια, η οποία θεώρησε ότι το μείγμα αερίων που χρησιμοποιήθηκε στην έρευνά τους ήταν πολύ μειωμένο σε σχέση με τις συνθήκες που υπήρχαν στην αρχέγονη Γη. Μια σειρά από θεωρίες έδειχναν μια ουδέτερη ατμόσφαιρα που περιέχει περίσσεια CO2 με N2 και υδρατμούς⁴. Ωστόσο, μια ουδέτερη ατμόσφαιρα έχει επίσης αναγνωριστεί ως εύλογο περιβάλλον για τη σύνθεση αμινοξέων⁵Ε Επιπλέον, για πρωτεΐνες Για να λειτουργήσουν ως απαρχές της ζωής, πρέπει να αυτοαναπαραχθούν οδηγώντας σε έναν συνδυασμό διαφορετικών πρωτεΐνες για να καλύψει διαφορετικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε έναν οργανισμό.

Β) Αν η αρχέγονη σούπα παρείχε συνθήκες για δομικά στοιχεία του DNA και / ή RNA να σχηματιστεί, τότε οποιοδήποτε από αυτά θα μπορούσε να ήταν το γενετικό υλικό. Η μέχρι τώρα έρευνα ευνοούσε RNA να είναι το γενετικό υλικό για την προέλευση των μορφών ζωής λόγω της ικανότητάς τους να αναδιπλώνονται στον εαυτό τους, να υπάρχουν ως ένα μόνο σκέλος και να ενεργούν ως ένζυμο⁶, ικανός να κάνει περισσότερα RNA μόρια. Ένας αριθμός αυτοαναπαραγόμενων ενζύμων RNA⁷ έχουν ανακαλυφθεί με τα χρόνια υποδηλώνοντας RNA να είναι το αρχικό γενετικό υλικό. Αυτό ενισχύθηκε περαιτέρω από την έρευνα που διεξήχθη από την ομάδα του John Sutherland που οδήγησε στον σχηματισμό δύο βάσεων RNA σε ένα περιβάλλον παρόμοιο με την αρχέγονη σούπα, συμπεριλαμβάνοντας φωσφορικά άλατα στο μείγμα⁸. 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. Εάν το RNA πιστεύεται ότι είναι ο δημιουργός, τότε πότε και πώς έγινε DNA και οι πρωτεΐνες δημιουργούνται; Έκανε DNA αναπτύχθηκε ως γενετικό υλικό αργότερα λόγω της ασταθούς φύσης του RNA και οι πρωτεΐνες ακολούθησαν το παράδειγμά τους. Οι απαντήσεις σε όλα αυτά τα ερωτήματα παραμένουν ακόμη αναπάντητα.

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 3^rd Ιούνιος 2020 από την ομάδα του John Sutherland από το MRC Laboratory στο Cambridge, UK. Οι ερευνητές προσομοίωσαν τις συνθήκες που υπήρχαν σε μια αρχέγονη Γη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, με ρηχές λίμνες στο εργαστήριο. Πρώτα διέλυσαν χημικές ουσίες που σχηματίζονται RNA σε νερό, ακολουθούμενη από ξήρανση και θέρμανση και στη συνέχεια υποβολή τους σε υπεριώδη ακτινοβολία που προσομοίωσε τις ακτίνες του ήλιου που υπήρχαν στον αρχέγονο χρόνο. Αυτό όχι μόνο οδήγησε στη σύνθεση των δύο δομικών στοιχείων του RNA αλλά και του DNA, υποδηλώνοντας ότι και τα δύο νουκλεϊκά οξέα συνυπήρχαν την εποχή της προέλευσης της ζωής¹⁰.

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. Η ενδιάμεση ακολουθία RNA του Tetrahymena είναι ένα ένζυμο. Science 31 Ιανουαρίου 1986: Vol. 231, Τεύχος 4737, σελ. 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, Ν. et αϊ. 2020 Εκλεκτικός σχηματισμός πρεβιοτικών RNA πυριμιδίνης και DNA νουκλεοζίτες πουρίνης. Nature 582, 60–66 (2020). Δημοσιεύθηκε: 03 Ιουνίου 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***