Σύνοψη
- Ερευνητές του MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB) εντόπισαν ένα μικρό, απλό μόριο RNA (το QT45), ικανό να προσεγγίσει διαδικασίες αυτοαναπαραγωγής.
- Το μόριο λειτουργεί ως ένζυμο (πολυμεράση ριβοζύμου). Αντιγράφει το συμπληρωματικό του σκέλος και στη συνέχεια το χρησιμοποιεί ως πρότυπο για να παράγει αντίγραφα του εαυτού του σε διαφορετική αντίδραση.
- Προηγούμενα μόρια με παρόμοιες ικανότητες ήταν υπερβολικά μεγάλα και πολύπλοκα για να έχουν προκύψει φυσικά στην αρχέγονη «σούπα». Το QT45 λύνει αυτό το πρόβλημα λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους του.
- Μέσω της ανάλυσης ενός τρισεκατομμυρίου τυχαίων, μικρών ακολουθιών RNA, η πλήρης διαδικασία σύνθεσης σε βελτιστοποιημένες εργαστηριακές συνθήκες διήρκεσε 72 ημέρες.
Η μετάβαση από την ανόργανη χημεία στη βιολογική ζωή παραμένει ένα από τα πλέον σύνθετα ερωτήματα της σύγχρονης επιστήμης. Πώς οι βασικοί χημικοί δομικοί λίθοι συγκεντρώθηκαν, οργάνωσαν τη δομή τους και άρχισαν να αναπαράγονται; Η απάντηση φαίνεται να κρύβεται βαθιά στους μηχανισμούς του ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA).
Μία νέα έρευνα από το MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB), η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science, παρουσιάζει τα δεδομένα για ένα εξαιρετικά μικρό μόριο, το οποίο φέρει την κωδική ονομασία QT45. Η ικανότητα του συγκεκριμένου μορίου να προσεγγίζει την αυτοαναπαραγωγή, προσφέρει ισχυρές ενδείξεις για το πώς μπορεί να ξεκίνησε η ζωή στον πλανήτη μας.
Η σημασία της συγκεκριμένης έρευνας έγκειται στο μέγεθος και την πολυπλοκότητα του μορίου. Στο παρελθόν, τα εργαστήρια γενετικής είχαν καταφέρει να δημιουργήσουν RNA ικανό να αναπαραχθεί, ωστόσο επρόκειτο για ογκώδεις, τεχνητά περίπλοκες δομές. Το QT45 είναι αρκετά απλό ώστε να θεωρείται εξαιρετικά πιθανό να σχηματίστηκε αυθόρμητα κάτω από τις χαοτικές χημικές συνθήκες που επικρατούσαν στην πρώιμη Γη.
Τι είναι το μόριο QT45 και πώς εξηγεί την προέλευση της ζωής;
Το μόριο QT45 είναι ένα εξαιρετικά μικρό, απλό ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) που λειτουργεί ως πολυμεράση ριβοζύμου. Σύμφωνα με τη νέα δημοσίευση του MRC, το μόριο διαθέτει την ικανότητα να αντιγράφει το συμπληρωματικό του σκέλος και στη συνέχεια να χρησιμοποιεί αυτή τη δομή ως πρότυπο για να δημιουργήσει ένα αντίγραφο του εαυτού του. Λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους του, η ύπαρξη του αποδεικνύει πώς απλοί χημικοί δομικοί λίθοι θα μπορούσαν να εξελιχθούν αυθόρμητα σε συστήματα αυτοαναπαραγωγής, θέτοντας έτσι τα θεμέλια για την απαρχή της βιολογικής ζωής.
Η επικρατούσα βιοχημική θεωρία για την απαρχή της ζωής αναφέρεται στην υπόθεση του "Κόσμου του RNA". Σύμφωνα με αυτήν, το RNA προηγήθηκε του DNA και των πρωτεϊνών. Το RNA έχει τη μοναδική ιδιότητα να μπορεί ταυτόχρονα να αποθηκεύει γενετική πληροφορία (όπως το DNA) αλλά και να καταλύει χημικές αντιδράσεις λειτουργώντας ως ένζυμο (όπως οι πρωτεΐνες). Εάν ένα μόριο RNA αποκτήσει την ικανότητα να αντιγράφει τον εαυτό του, ενεργοποιείται ο μηχανισμός της φυσικής επιλογής και της εξέλιξης.
Μέχρι σήμερα, το ερευνητικό πρόβλημα εστιαζόταν στην τεχνική πολυπλοκότητα. Τα μόρια RNA που είχαν συντεθεί στο εργαστήριο και παρουσίαζαν ικανότητες αντιγραφής ήταν εκτενώς σχεδιασμένα και πολύ μεγάλα για να υποστηριχθεί πως δημιουργήθηκαν από ένα τυχαίο «ανακάτεμα» νουκλεοτιδίων στην αρχέγονη σούπα. Το QT45 ανατρέπει αυτό το δεδομένο. Η εξαιρετικά συμπαγής δομή του το καθιστά ένα ρεαλιστικό υποψήφιο για μόριο που μπορεί να δημιουργηθεί τυχαία, χωρίς την ανάγκη περίπλοκων κυτταρικών μηχανισμών.
Για να φτάσουν σε αυτό το αποτέλεσμα, οι ερευνητές του LMB ξεκίνησαν με μια «πισίνα» που περιείχε ένα τρισεκατομμύριο εντελώς τυχαίες, εξαιρετικά μικρές ακολουθίες RNA. Μέσα από αυστηρή παρατήρηση, αναζήτησαν συνδυασμούς που εμφάνιζαν την ικανότητα να ενώνουν τα δομικά στοιχεία του RNA. Το QT45 ξεχώρισε.
Η διαδικασία δεν αποτελεί μια στιγμιαία «φωτοτυπία» του εαυτού του. Πρόκειται για μια διαδικασία δύο βημάτων. Αρχικά, το QT45, λειτουργώντας ως πολυμεράση ριβοζύμου (ένα RNA που δρα ως ένζυμο), δημιουργεί ένα αντίγραφο του συμπληρωματικού του σκέλους (ουσιαστικά μια ανεστραμμένη, καθρεπτική ακολουθία του εαυτού του). Στη συνέχεια, σε μια ξεχωριστή αντίδραση, χρησιμοποιεί αυτό το συμπληρωματικό σκέλος ως καλούπι για να συνθέσει εκ νέου το αυθεντικό μόριο QT45.
Τα εργαστηριακά πειράματα έδειξαν ότι υπό τις ιδανικές, βελτιστοποιημένες συνθήκες, η διαδικασία αυτής της έμμεσης αυτο-σύνθεσης απαίτησε 72 ημέρες για να ολοκληρωθεί. Αν και απαιτήθηκε ελάχιστη τεχνητή καθοδήγηση από τους επιστήμονες για τη διατήρηση του πλήρους κύκλου —γεγονός που σημαίνει ότι βρισκόμαστε στο κατώφλι της «σχεδόν» απόλυτης αυτοαναπαραγωγής— οι ερευνητές απέδειξαν πέραν πάσης αμφιβολίας την ολοκλήρωση των δύο κρισιμότερων και δυσκολότερων σταδίων της αντιγραφής από ένα μόριο αυτού του μεγέθους.
Οι προεκτάσεις της έρευνας για τη Συνθετική Βιολογία
Η επιτυχής μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του QT45 δεν εξηγεί απλώς το παρελθόν μας, αλλά ανοίγει νέους δρόμους για το μέλλον της συνθετικής βιολογίας. Αποδεικνύοντας ότι μικρά, καταλυτικά μόρια μπορούν να διαχειριστούν γενετικές πληροφορίες, οι βιοχημικοί αποκτούν νέα εργαλεία για την ανάπτυξη στοχευμένων θεραπειών, νέων ενζύμων για βιομηχανική χρήση, και υλικών που βασίζονται στις αρχές της μοριακής αυτοοργάνωσης.
Η έρευνα αυτή καταδεικνύει την αυξανόμενη εξάρτηση της βιολογίας από την υπολογιστική ισχύ. Η διαλογή ανάμεσα σε ένα τρισεκατομμύριο ακολουθίες προϋποθέτει αυτοματοποιημένα συστήματα, αλγορίθμους μηχανικής μάθησης και μοντέλα βαθιάς εκμάθησης ικανά να προβλέψουν την αναδίπλωση των νουκλεϊνικών οξέων στο χώρο.
