شیمیدانان کالج دانشگاهی لندن (UCL) یک مسیر شیمیایی پیشگامانه را فاش کردهاند که ما را به درک خاستگاه حیات نزدیکتر میکند. این کشف نشان میدهد چگونه آرانای (RNA) — مولکولی بنیادی در ژنتیک — میتوانسته تحت شرایطی که در زمین اولیه محتمل بوده، به طور شیمیایی با اسیدهای آمینه پیوند بخورد. این کشف بزرگ که اخیراً در مجله نیچر (Nature) منتشر شده است، به یکی از چالشبرانگیزترین پرسشها در زیستشناسی مولکولی پاسخ میدهد: چگونه اولین پروتئینها پیش از ظهور ماشینآلات سلولی پیچیده شروع به شکلگیری کردند.
پروتئینها، مولکولهایی که اکثریت قریب به اتفاق وظایف سلولی را انجام میدهند، پلیمرهایی از اسیدهای آمینه هستند که توالی آنها ساختار و خواصشان را تعیین میکند. با این حال، پروتئینها به تنهایی قادر به تکثیر نیستند؛ آنها برای ساخت خود به دستورالعملهای ژنتیکی کدگذاری شده در آرانای وابسته هستند. حیات مدرن، پروتئینها را از طریق ریبوزومها سنتز میکند؛ این کمپلکسهای مولکولی پیچیده، توالیهای آرانای پیامرسان را میخوانند و به طور متوالی اسیدهای آمینه را به پروتئینهای عملکردی با دقت بالا متصل میکنند. درک چگونگی ظهور این سنتز پروتئین با هدایت آرانای در دوران پیشزیستی، برای دههها دانشمندان را گیج کرده بود.
تلاشهای آزمایشگاهی پیشین برای پیوند مستقیم اسیدهای آمینه به آرانای، متکی بر واسطههای بسیار واکنشپذیری بود که به سرعت در آب تجزیه میشدند. آب محیطی ضروری برای شیمی حیات است، اما برای چنین مولکولهای ناپایداری نامساعد است. این واکنشها همچنین فرآیندهای جانبی ناخواستهای مانند پیوند اسیدهای آمینه با یکدیگر به جای آرانای را القا میکردند و بدین ترتیب، تلاش برای بازآفرینی سنتز پپتیدی اولیه را دشوار میساختند. غلبه بر این موانع از دهه ۱۹۷۰ یک چالش علمی بزرگ بوده است.
تیم UCL با الهام از بیوشیمی طبیعی، روشی ظریفتر را به کار گرفت که از تیواسترها — ترکیبات پرانرژی حاوی گوگرد که در بسیاری از واکنشهای متابولیکی در سلولهای امروزی نقش دارند — استفاده میکند. مدتهاست که تیواسترها به عنوان بازیگران کلیدی در متابولیسم اولیه، با توجه به واکنشپذیری و فراوانی محتمل آنها در زمین اولیه، فرضیهسازی شدهاند و پلی مفهومی بین شیمی ساده و پیچیدگیهای زیستی نوظهور ایجاد میکنند. این رویکرد با فعالسازی انتخابی اسیدهای آمینه در یک محیط غنی از آب با pH خنثی، از مشکلات عوامل بسیار واکنشپذیر جلوگیری کرد.
اساس روش آنها این بود که اسیدهای آمینه با پانتتئین (pantetheine) — یک مولکول حاوی گوگرد که همان گروه تحقیقاتی قبلاً نشان داده بود میتواند از پیشسازهای پیشزیستی قابل قبول تشکیل شود — واکنش داده شدند. این واکنش، تیواسترهای اسید آمینه را ایجاد میکند که قادرند به طور خودبهخودی به رشتههای آرانای متصل شوند، بدون اینکه پلیمریزاسیونهای ناخواسته ایجاد کنند یا تحت شرایط آبی تجزیه شوند. مولکولهای آرانای آمینواسیدیشده (aminoacylated RNA) حاصل، اولین گامها در سنتز پروتئین را نشان میدهند، و فرآیند مدرن را تقلید میکنند که در آن اسیدهای آمینه پیش از تشکیل پیوند پپتیدی به آرانای متصل میشوند.
این کشف، همگرایی دو فرضیه غالب در مورد خاستگاه حیات را برجسته میکند: جهان آرانای (RNA World)، که فرض میکند مولکولهای آرانای خودتکثیرشونده پیشساز حیات بودهاند، و جهان تیواستر (Thioester World)، که پیشنهاد میکند تیواسترها به عنوان حاملهای انرژی اولیه عمل کرده و واکنشهای بیوشیمیایی اولیه را تسهیل کردهاند. این مطالعه با وحدت بخشیدن به این نظریهها، چارچوبی شیمیایی منسجم برای چگونگی ظهور دگم مرکزی حیات — اطلاعات کدگذاری شده در اسیدهای نوکلئیک که سنتز پروتئین را هدایت میکند — به طور طبیعی از شیمی پیشزیستی ارائه میدهد.
تیم برای تأیید یافتههای خود از تکنیکهای طیفسنجی پیشرفته استفاده کرد، از جمله چندین شکل از طیفسنجی رزونانس مغناطیسی هستهای (NMR) که چیدمانهای اتمی درون مولکولها را روشن ساخت، و همچنین طیفسنجی جرمی (mass spectrometry) که وزن و ساختار مولکولی را تأیید کرد. این ابزارهای پیشرفته به محققان اجازه داد تا واکنشهایی را مشاهده و توصیف کنند که تحت میکروسکوپ نوری معمولی نامرئی بودند، و بینشی بیسابقه در مورد رقص مولکولی که میتوانست بذر حیات را بکارد، فراهم آورد.
در حالی که این مطالعه بر مکانیسمهای شیمیایی تمرکز داشت، محققان پیشنهاد میکنند که این واکنشها به احتمال زیاد در حوضچهها یا دریاچههای زمین اولیه اتفاق افتادهاند، جایی که غلظتهای بالاتر واکنشدهندهها میتوانستند انباشته شوند. اقیانوسهای وسیع و رقیق احتمالاً به دلیل برخورد مولکولی کم نامساعد بودهاند، در حالی که محیطهای آبی کوچکتر میتوانستند تعاملات لازم را برای پیشبرد این شیمی تشویق کنند و یک صحنه ژئوشیمیایی محتمل برای ظهور حیات ارائه دهند.
علاوه بر این، این مطالعه مسیری را به سمت خاستگاه خود کد ژنتیکی — مجموعه قوانینی که توالیهای آرانای را به زنجیرههای اسید آمینه ترجمه میکنند — پیشنهاد میکند. توانایی توالیهای آرانای در اتصال انتخابی به اسیدهای آمینه خاص، برای این کد اساسی است، و رمزگشایی الگوهای تشخیص مولکولی اولیه یک هدف کلیدی باقی مانده است. این تحقیق با پیوند شیمیایی آرانای و اسیدهای آمینه، بستر را برای کشف چگونگی ظهور این کد فراهم میکند.
دکتر جوتی سینگ، نویسنده اصلی مقاله، ابعاد این دستاورد را اینگونه توضیح داد: تصور بلوکهای سازنده مولکولی ساده — متشکل از کربن، نیتروژن، هیدروژن، اکسیژن و گوگرد — که در سیستمهای خودتکثیرشونده و عملکردی مشابه "قطعات لگو" مولکولی جمع میشوند. این کشف گام مهمی در جهت تحقق آن چشمانداز است، و نشان میدهد که اسیدهای آمینه "فعالشده" اولیه و آرانای میتوانستند ترکیب شده و به پپتیدهای ضروری برای حیات تبدیل شوند.
نکته مهم این است که اسیدهای آمینه فعالشده مورد استفاده، تیواسترهایی هستند که از ترکیبات مرتبط با کوآنزیم A (Coenzyme A) مشتق شدهاند، و این ترکیبات در تمام اشکال شناخته شده حیات فراواناند. این ارتباط، این امکان را مطرح میکند که شیمی زیربنایی متابولیسم مدرن، ذخیره اطلاعات ژنتیکی و سنتز پروتئین، ریشهای تکاملی عمیق داشته و به واکنشهای ساده پیشزیستی قابل ردیابی باشد. این یافتهها با پیوند بالقوه متابولیسم با مسیرهای ژنتیکی و پروتئینسازی، چگونگی ظهور ماشینآلات مولکولی جهانی حیات را از آغازهای شیمیایی ساده روشن میسازند.
با وجود دستاوردهای برجسته، بسیاری از پرسشها بیپاسخ ماندهاند، به ویژه اینکه چگونه توالیهای آرانای میتوانستند برای ساخت پروتئینهای پیچیدهتر، تمایلات انتخابی نسبت به اسیدهای آمینه خاص ایجاد کنند — که اساس ویژگیهای بینظیر زیستشناسی را تشکیل میدهد. با این حال، این کار به طور قاطعانه از محدودیتهای قبلی فراتر میرود و به مشکلی که چندین نسل علمی را به خود مشغول کرده بود، و قطعاً اکتشافات آینده در تحقیقات خاستگاه حیات را تسریع خواهد کرد، وضوح میبخشد.
تحقیقات UCL توسط مؤسسات برجستهای از جمله شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی، بنیاد سیمونز و انجمن سلطنتی تأمین مالی شده است، که اهمیت شناسایی تأثیر بالای کشف ریشههای شیمیایی بنیادی حیات توسط جامعه علمی را نشان میدهد.
مسیر از مواد شیمیایی ساده در حوضچههای اولیه تا پیچیدگی فوقالعاده حیات بر روی زمین، با مطالعاتی مانند این، به طور فزایندهای روشن میشود. این تحقیق با نشان دادن شیمیایی یک مسیر پیشزیستی محتمل به آرانای آمینواسیدیشده، شکاف تاریخی بین شیمی و زیستشناسی را پر میکند و فرضیههای انتزاعی را به سیستمهای مولکولی ملموسی تبدیل میکند که خود یادآور طلوع حیات هستند.