Η κατανόηση της προέλευσης της ζωής αποτελεί ένα από τα πιο σύνθετα και γοητευτικά ερωτήματα της επιστήμης. Μια νέα μελέτη από το University of Illinois Urbana-Champaign έρχεται να προσθέσει κρίσιμα κομμάτια σε αυτό το παζλ, αποκαλύπτοντας πως μικροσκοπικά πρωτεϊνικά τμήματα, γνωστά ως διπεπτίδια, μπορεί να κατέχουν το κλειδί για την αποκρυπτογράφηση των πρώτων βημάτων της βιολογικής εξέλιξης.
Γονιδίωμα και πρωτεΐνες: δύο «γλώσσες» της ζωής
Τα γονίδια αποτελούν τη βάση της ζωής, μεταφέροντας οδηγίες για την ανάπτυξη και λειτουργία των οργανισμών. Το γενετικό κώδικα καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο αυτές οι οδηγίες μεταφράζονται σε πρωτεΐνες, τα μόρια που διαχειρίζονται όλες τις βιολογικές διεργασίες. Ωστόσο, το πώς και γιατί διαμορφώθηκε αυτό το διπλό «σύστημα επικοινωνίας» παραμένει μυστήριο.
Όπως επισημαίνει ο Gustavo Caetano-Anollés, καθηγητής στο Department of Crop Sciences και στο Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, «η προέλευση του γενετικού κώδικα φαίνεται μυστηριωδώς συνδεδεμένη με τη σύνθεση των διπεπτιδίων στο πρωτέωμα ενός οργανισμού».
Διπεπτίδια: οι αρχαίοι οικοδομικοί λίθοι
Τα διπεπτίδια αποτελούνται από δύο αμινοξέα ενωμένα με έναν πεπτιδικό δεσμό. Υπάρχουν 400 πιθανοί συνδυασμοί, οι οποίοι ποικίλλουν σε αφθονία από οργανισμό σε οργανισμό. Οι ερευνητές ανέλυσαν 4,3 δισεκατομμύρια ακολουθίες διπεπτιδίων από 1.561 πρωτέωμα που εκπροσωπούν και τις τρεις υπερ-ομάδες της ζωής: Archaea, Bacteria και Eukarya.
Η ανάλυση αυτή αποκάλυψε ότι τα διπεπτίδια δεν εμφανίστηκαν τυχαία, αλλά ως κρίσιμα δομικά στοιχεία που καθόρισαν τη διαμόρφωση και λειτουργία των πρώτων πρωτεϊνών. Επιπλέον, η εξέλιξή τους ταιριάζει με χρονογραμμές που είχαν προηγουμένως καταγραφεί για τα μόρια tRNA και τους δομικούς τομείς των πρωτεϊνών.
Η διπλή φύση της ζωής
Η ζωή λειτουργεί μέσα από δύο κώδικες που αλληλοσυμπληρώνονται. Ο γενετικός κώδικας αποθηκεύει πληροφορίες στο DNA και το RNA, ενώ ο «πρωτεϊνικός κώδικας» καθοδηγεί τα ένζυμα και τα μόρια που διατηρούν τη ζωή. Ο ρόλος του ριβοσώματος είναι κομβικός, καθώς εκεί συναρμολογούνται τα αμινοξέα σε πρωτεΐνες με τη βοήθεια των tRNA.
Τα ένζυμα που φορτώνουν τα αμινοξέα στα tRNA, γνωστά ως aminoacyl tRNA synthetases, λειτουργούν σαν φύλακες του κώδικα. Η μελέτη δείχνει πως η εξέλιξη αυτών των ενζύμων συνδέεται στενά με την εμφάνιση των πρώτων ομάδων αμινοξέων και με τη δημιουργία ενός «πρώιμου λειτουργικού κώδικα» που εξασφάλισε την ακρίβεια στη μετάφραση του γενετικού υλικού.
Συμμετρικά ζεύγη και ο καθρέφτης της εξέλιξης
Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις ήταν η ύπαρξη «αντι-διπεπτιδίων». Για κάθε διπεπτίδιο, όπως το αλανίνη-λευκίνη (AL), υπάρχει το συμμετρικό του, λευκίνη-αλανίνη (LA). Τα ζεύγη αυτά εμφανίστηκαν σχεδόν ταυτόχρονα στην εξελικτική πορεία, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι δύο μορφές κωδικοποιούνταν σε συμπληρωματικά τμήματα των πρώιμων νουκλεϊνικών οξέων.
Η συγχρονισμένη αυτή εμφάνιση ενισχύει την ιδέα ότι τα διπεπτίδια δεν ήταν απλοί συνδυασμοί αμινοξέων, αλλά θεμελιώδεις δομές που καθόρισαν την αρχιτεκτονική και τη λειτουργία των πρώτων πρωτεϊνών.
Από το παρελθόν στο μέλλον
Η μελέτη δεν αφορά μόνο το παρελθόν της ζωής, αλλά και το μέλλον της επιστήμης. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίστηκαν και εξελίχθηκαν οι πρώτες πρωτεϊνικές δομές ανοίγει δρόμους για τη γενετική μηχανική, τη συνθετική βιολογία και την ιατρική καινοτομία.
Όπως εξηγεί ο Caetano-Anollés, «η συνθετική βιολογία αναγνωρίζει την αξία της εξελικτικής οπτικής. Η γνώση της αρχαιότητας και της ανθεκτικότητας των βιολογικών στοιχείων μάς βοηθά να κάνουμε ουσιαστικές παρεμβάσεις, κατανοώντας ταυτόχρονα τα όρια και τη λογική που διέπουν τον γενετικό κώδικα».
Ένα νέο παράθυρο στην προέλευση της ζωής
Η έρευνα δείχνει ότι τα διπεπτίδια αποτελούν ένα «πρωτογενές πρωτεϊνικό κώδικα», που εξελίχθηκε παράλληλα με έναν πρώιμο λειτουργικό κώδικα RNA. Η συνδυασμένη δράση τους, μέσω συν-εξέλιξης και μοριακής επεξεργασίας, άνοιξε τον δρόμο για τη δημιουργία των σύγχρονων ενζύμων που προστατεύουν και διατηρούν τον γενετικό κώδικα.
[via]
