منشأ زندگی با یک تغییر پارادایم مواجه است .

12 مه 2022 -توسط دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ -شیمیدان LMU فلیکس مولر (سمت چپ) و لوئیس اسکوبار در حال بحث درباره یک طرح مولکولی جدید پری بیوتیک هستند. اعتبار: مارکوس مولر / LMU

بر اساس یک مفهوم جدید توسط شیمیدانان LMU به رهبری توماس کارل، این یک گونه مولکولی جدید بود که از RNA و پپتیدها تشکیل شده بود که تکامل حیات را به شکل های پیچیده تر به حرکت در می آورد.

بررسی این سوال که چگونه حیات می تواند مدت ها پیش در زمین اولیه ظهور کند، یکی از جذاب ترین چالش های علم است. چه شرایطی باید وجود داشته باشد تا اجزای اصلی زندگی پیچیده‌تری شکل بگیرد؟ یکی از پاسخ های اصلی بر اساس ایده به اصطلاح جهان RNA است که والتر گیلبرت پیشگام زیست شناسی مولکولی در سال 1986 فرموله کرد. این فرضیه بر این باور است که نوکلئوتیدها – بلوک های سازنده اساسی اسیدهای نوکلئیک A، C، G، و U- پدید آمده اند. از سوپ اولیه، و سپس مولکول های RNA کوتاه از نوکلئوتیدها تشکیل شد. این به اصطلاح اولیگونوکلئوتیدها قبلاً قادر به رمزگذاری مقادیر کمی از اطلاعات ژنتیکی بودند.

از آنجایی که چنین مولکول‌های تک رشته‌ای RNA نیز می‌توانند به رشته‌های دوتایی ترکیب شوند، با این حال، این امکان نظری را ایجاد می‌کند که مولکول‌ها می‌توانند خودشان را تکثیر کنند.  درتکثیر فقط دو نوکلئوتید در هر مورد با هم قرار می گیرند، به این معنی که یک رشته همتای دقیق دیگری است و بنابراین الگوی رشته دیگر را تشکیل می دهد.

در سیر تکامل، این همانندسازی می‌توانست بهبود یافته و در مرحله‌ای حیات پیچیده‌تری به همراه داشته باشد. توماس کارل، شیمی‌دان LMU، می‌گوید: «ایده دنیای RNA این مزیت بزرگ را دارد که مسیری را ترسیم می‌کند که در آن بیومولکول‌های پیچیده‌ای مانند اسیدهای نوکلئیک با ویژگی‌های کاتالیزوری بهینه و در عین حال کدگذاری اطلاعات می‌توانند پدیدار شوند. ماده ژنتیکی، همانطور که امروزه می‌دانیم، از رشته‌های دوتایی DNA تشکیل شده است، شکل کمی تغییر یافته و بادوام از ماکرومولکول متشکل از نوکلئوتیدها.

با این حال، این فرضیه خالی از اشکال نیست. به عنوان مثال، RNS یک مولکول بسیار شکننده است، به خصوص زمانی که طولانی تر شود. علاوه بر این، مشخص نیست که چگونه پیوند مولکول‌های RNA با دنیای پروتئین‌ها، که ماده ژنتیکی، طرح‌های اولیه را فراهم می‌کند، به وجود آمده است. همانطور که در مقاله جدید منتشر شده در نیچر آمده است، گروه کاری کارل راهی را کشف کرده است که در آن این پیوند می تواند رخ دهد.

برای درک، باید نگاه دقیق‌تری به RNA بیندازیم. RNA به خودی خود یک ماکرومولکول پیچیده است. علاوه بر چهار پایه متعارف A، C، G و U که اطلاعات ژنتیکی را رمزگذاری می‌کنند، شامل پایگاه‌های غیرمتعارف نیز می‌شود که برخی از آنها ساختار بسیار غیرعادی دارند. این نوکلئوتیدهای غیر کد کننده اطلاعات برای عملکرد مولکول های RNA بسیار مهم هستند. ما در حال حاضر دانش بیش از 120 نوکلئوزید RNA اصلاح شده را داریم که طبیعت آنها را در مولکول های RNA گنجانده است. بسیار محتمل است که آنها بقایای دنیای RNA سابق باشند.

گروه Carell اکنون کشف کرده است که این نوکلئوزیدهای غیر متعارف عنصر اصلی هستند که به دنیای RNA اجازه می دهد تا با دنیای پروتئین ها ارتباط برقرار کند. به گفته Carell، برخی از این فسیل‌های مولکولی، زمانی که در RNA قرار می‌گیرند، می‌توانند خود را با اسیدهای آمینه منفرد یا حتی زنجیره‌های کوچکی از آنها (پپتیدها) “ارایش” کنند. هنگامی که آمینو اسیدها یا پپتیدها به طور همزمان در یک محلول در کنار RNA وجود دارند، این منجر به ساختارهای کایمریک RNA-پپتید کوچک می شود. در چنین ساختارهایی، اسیدهای آمینه و پپتیدهای مرتبط با RNA حتی با یکدیگر واکنش می دهند تا پپتیدهای بزرگتر و پیچیده تری را تشکیل دهند. کارل می‌گوید: «به این ترتیب، ما ذرات RNA-پپتید را در آزمایشگاه ایجاد کردیم که می‌توانستند اطلاعات ژنتیکی را رمزگذاری کنند و حتی پپتیدهای طولانی‌تر را تشکیل دهند.

بنابراین، نوکلئوزیدهای فسیلی باستانی تا حدودی شبیه به هسته‌های RNA هستند و هسته‌ای را تشکیل می‌دهند که زنجیره‌های پپتیدی طولانی می‌توانند روی آن رشد کنند. در برخی از رشته های RNA، پپتیدها حتی در چندین نقطه رشد می کردند. کارل می گوید: «این یک کشف بسیار شگفت انگیز بود. این امکان وجود دارد که هرگز دنیای RNA خالص وجود نداشته باشد، اما RNA و پپتیدها از ابتدا در یک مولکول مشترک وجود داشته اند. به این ترتیب، ما باید مفهوم جهان RNA را به دنیای RNA-پپتید گسترش دهیم. این ایده جدید پیشنهاد می‌کند که پپتیدها و RNA متقابلاً از یکدیگر در تکامل خود پشتیبانی می‌کنند.

طبق نظریه جدید، یک عنصر تعیین کننده در آغاز، وجود مولکول های RNA بود که می توانستند خود را با اسیدهای آمینه و پپتیدها تزئین کنند و بنابراین آنها را به ساختارهای پپتیدی بزرگتر بپیوندند. کارل می‌گوید: «RNA به آرامی به یک کاتالیزور پیوند دهنده اسید آمینه در حال بهبود پیوسته تبدیل شد. این رابطه بین RNA و پپتیدها یا پروتئین ها تا به امروز باقی مانده است. مهمترین کاتالیزور RNA ریبوزوم است که امروزه هنوز آمینو اسیدها را به زنجیره های پپتیدی طولانی پیوند می دهد. یکی از پیچیده‌ترین ماشین‌های RNA، در هر سلولی مسئول ترجمه اطلاعات ژنتیکی به پروتئین‌های عملکردی است. بنابراین، جهان RNA-پپتید حل می شود

طبق نظریه جدید، یک عنصر تعیین کننده در آغاز، وجود مولکول های RNA بود که می توانستند خود را با اسیدهای آمینه و پپتیدها ارایش کنند و بنابراین آنها را به ساختارهای پپتیدی بزرگتر بپیوندند. کارل می‌گوید: «RNA به آرامی به یک کاتالیزور پیوند دهنده اسید آمینه در حال بهبود پیوسته تبدیل شد. این رابطه بین RNA و پپتیدها یا پروتئین ها تا به امروز باقی مانده است. مهمترین کاتالیزور RNA ریبوزوم است که امروزه هنوز آمینو اسیدها را به زنجیره های پپتیدی طولانی پیوند می دهد. یکی از پیچیده‌ترین ماشین‌های RNA، در هر سلولی مسئول ترجمه اطلاعات ژنتیکی به پروتئین‌های عملکردی است. کارل می گوید: «دنیای RNA-پپتید بنابراین مشکل مرغ و تخم مرغ را حل می کند. “ایده جدید پایه ای ایجاد می کند که منشاء زندگی به تدریج قابل توضیح است.”