Молекуларно порекло живота: шта је прво настало – протеин, ДНК или РНК или њихова комбинација?

„Одговорено је на неколико питања о пореклу живота, али много тога остаје да се проучи“, рекли су Стенли Милер и Харолд Ури давне 1959. године након што су известили о лабораторијској синтези аминокиселина у примитивним земаљским условима. Много напретка низ линију, али научници се дуго боре са фундаменталним питањем – који је генетски материјал први био формиран на примитивној земљи, ДНК or РНК, или по мало обоје? Сада постоје докази који то сугеришу ДНК РНК оба су можда коегзистирала у примордијалној супи одакле су животни облици можда еволуирали са одговарајућим генетским материјалом.

Централна догма молекуларне биологије то каже ДНК чини РНК чини протеини. proteini одговорни су за већину, ако не и за све реакције које се одвијају у организму. Целокупна функционалност организма у великој мери зависи од њиховог присуства и интеракције протеин молекуле. Према централној догми, протеини производе информације садржане у ДНК која се претвара у функционалну протеин преко гласника званог РНК. Међутим, могуће је да протеини сами могу да преживе независно без икаквих ДНК or РНК, као што је случај са прионима (погрешно савијеним протеин молекуле који не садрже ДНК or РНК), али могу сами да преживе.

Дакле, могу постојати три сценарија за настанак живота.

А) Ако је протеини или су његови грађевински блокови могли да се формирају абиотички током атмосфере која је постојала пре више милијарди година у првобитној супи, протеини може се назвати основом порекло живота. Експериментални докази у његову корист потичу из чувеног експеримента Стенлија Милера^{КСНУМКС, КСНУМКС}, који је показао да када се мешавина метана, амонијака, воде и водоника помеша и циркулише поред електричног пражњења, настаје мешавина аминокиселина. То је поново потврђено седам година касније³ 1959. од стране Стенлија Милера и Харолда Урија, који су изјавили да је присуство редукционе атмосфере у првобитној земљи довело до синтезе органски једињења у присуству горе наведених гасова плус мање количине угљен-моноксида и угљен-диоксида. Релевантност Милер-Уреи експеримената је годинама доводила у питање научно братство, које је сматрало да је мешавина гаса коришћена у њиховим истраживањима превише редукована у односу на услове који су постојали на првобитној Земљи. Бројне теорије су упућивале на неутралну атмосферу која садржи вишак ЦО2 са Н2 и воденом паром⁴. Међутим, неутрална атмосфера је такође идентификована као прихватљиво окружење за синтезу аминокиселина⁵. Поред тога, за протеини да би деловали као извори живота, потребно је да се самореплицирају што доводи до комбинације различитих протеини да би се задовољиле различите реакције које се одвијају у организму.

Б) Ако је исконска супа пружала услове за грађење блокова ДНК и / или РНК да се формира, онда је било који од ових могао бити генетски материјал. Досадашња истраживања су фаворизовала РНК бити генетски материјал за настанак животних облика због њихове способности да се савијају на себе, постоје као један ланац и делују као ензим⁶, способан да направи више РНК молекуле. Бројни самореплицирајући РНК ензими⁷ откривени су током година што сугерише РНК да буде полазни генетски материјал. Ово је додатно ојачано истраживањем групе Џона Сатерленда које је довело до формирања две базе РНК у окружењу сличном примордијалној супи укључивањем фосфата у смешу.⁸. Формирање РНК грађевних блокова је такође приказано симулацијом редукујуће атмосфере (која садржи амонијак, угљен моноксид и воду), слично оној која је коришћена у Миллер-Уреи-овом експерименту, а затим пропуштањем електричних пражњења и ласера ​​велике снаге кроз њих.⁹. Ако се верује да је РНК зачетник, онда када и како ДНК а протеини настају? Јесте ДНК касније се развијају као генетски материјал због нестабилне природе РНК и протеина. Одговори на сва ова питања и даље остају без одговора.

Ц) Трећи сценарио да ДНК и РНК могу коегзистирати у примордијалној супи која је довела до настанка живота произашао је из студија објављених 3.^rd јуна 2020. од стране групе Џона Сатерленда из лабораторије МРЦ у Кембриџу, УК. Истраживачи су симулирали услове који су постојали на примордијалној Земљи пре неколико милијарди година, са плитким језерцима у лабораторији. Прво су растворили хемикалије које се формирају РНК у води, након чега је уследило сушење и загревање, а затим излагање УВ зрачењу које је симулирало сунчеве зраке које су постојале у прадавном времену. Ово не само да је довело до синтезе два градивна блока РНК али и од ДНК, што сугерише да су обе нуклеинске киселине постојале заједно у време настанка живота¹⁰.

На основу савременог знања које постоји данас и поштовања централне догме молекуларне биологије, чини се вероватним да су ДНК и РНК постојале заједно што је довело до настанка живота и формирања протеина је дошло/догодило касније.

Међутим, аутор жели да спекулише још један сценарио где су сва три важна биолошка макромолекула, тј. ДНК, РНК и протеин су постојали заједно у првобитној супи. Неуредни услови који су постојали у првобитној супи, укључујући хемијску природу земљине површине, вулканске ерупције и присуство гасова као што су амонијак, метан, угљен моноксид, угљен-диоксид, заједно са водом, можда су били идеални за формирање свих макромолекула. Наговештај овога дало је истраживање које су спровели Ферус ет ал., где су нуклеобазе формиране у истој редукционој атмосфери⁹ коришћена у Милер-Уријевом експерименту. Ако ћемо веровати у ову хипотезу, онда су током еволуције различити организми усвојили један или други генетски материјал, који је погодовао њиховом постојању.

Међутим, док покушавамо да разумемо порекло облика живота, потребно је много даљег истраживања да би се одговорило на фундаментална и релевантна питања о томе како је живот настао и како се ширио. Ово би захтевало приступ „ван кутије“ без ослањања на било какве предрасуде које у наше размишљање уносе актуелне догме које се следе у науци.

***

Референце:

1. Миллер С., 1953. Производња аминокиселина у могућим примитивним земаљским условима. Наука. 15. мај 1953: књ. 117, број 3046, стр. 528-529 ДОИ: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Бада ЈЛ, Лазцано А. ет ал 2003. Пребиотичка супа – Ревиситинг тхе Миллер Екперимент. Наука 02. мај 2003: Вол. 300, број 5620, стр. 745-746 ДОИ: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Миллер СЛ и Уреи ХЦ, 1959. Синтеза органског једињења на примитивној Земљи. Наука 31. јул 1959: књ. 130, број 3370, стр. 245-251. ДОИ: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Кастинг ЈФ, Ховард МТ. 2006. Састав атмосфере и клима на раној Земљи. Пхилос Транс Р Соц Лонд Б Биол Сци 361:1733–1741 (2006). Објављено:07. септембра 2006. ДОИ: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Цлеавес ХЈ, Цхалмерс ЈХ, ет ал 2008. Поновна процена пребиотске органске синтезе у неутралним планетарним атмосферама. Ориг Лифе Евол Биоспх 38:105–115 (2008). ДОИ: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Зауг, АЈ, Цецх ТР. 1986. Интервенциона секвенца РНК Тетрахимена је ензим. Наука 31. јануар 1986: Вол. 231, број 4737, стр. 470-475 ДОИ: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Воцхнер А, Аттватер Ј, ет ал 2011. Рибозимом катализована транскрипција активног рибозима. Наука 08 апр: Вол. 332, број 6026, стр. 209-212 (2011). ДОИ: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Повнер, М., Герланд, Б. & Сутхерланд, Ј., 2009. Синтеза активираних пиримидин рибонуклеотида у пребиотички прихватљивим условима. Природа 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ферус М, Пиетруцци Ф, ет ал 2017. Формирање нуклеобаза у Миллер-Уреи редукционој атмосфери. ПНАС 25. април 2017. 114 (17) 4306-4311; први пут објављено 10. априла 2017. ДОИ: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Ксу, Ј., Цхмела, В., Греен, Н. ет ал. 2020 Селективно пребиотичко формирање РНК пиримидина и ДНК пуринских нуклеозида. Природа 582, 60–66 (2020). Објављено: 03. ДОИ: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***