10 دقیقه
یک مطالعه آزمایشگاهی پیشگام از دانشگاه کالج لندن (UCL) بازسازی‌ای از یک گام شیمیایی محتمل ارائه میدهد که می‌توانست نزدیک به چهار میلیارد سال پیش به آغاز حیات روی زمین کمک کند. یک آزمایش پیشگام نشان میدهد چگونه RNA و آمینواسیدها ممکن است به هم متصل شده و نخستین گام‌ها به سوی حیات را جرقه بزنند. (تصویر مفهومی هنری.) Credit: SciTechDaily.com
دانشمندان یک مسیر خودبهخودی و انتخابی را نشان داده‌اند که در آن آمینواسیدها — زیرواحدهای پروتئین — میتوانند تحت شرایط ملایم و آبی که محیطهای آب شیرین اولیه زمین را تقلید میکند، به RNA وصل شوند. این نتیجه یک پیوند شیمیایی مفقود بین دو مؤلفه بنیادی سیستم‌های زیستی فراهم میآورد: پلیمرهای اطلاع‌رسان (RNA) و مولکولهای عملکردی (پروتئین‌ها).
زمینهٔ علمی: RNA، آمینواسیدها و مسئلهٔ منشأ
سلول‌های امروزی اطلاعات ژنتیکی را با کمک ماشین مولکولی پیچیده‌ای به نام ریبوزوم به پروتئین‌های عملکردی ترجمه می‌کنند که توسط پیام‌رسان RNA (mRNA) هدایت می‌شود. فهمیدن اینکه چگونه سیستم‌های ابتدایی می‌توانستند ابتدا آمینواسیدها را به پلیمرهای اطلاع‌رسان پیوند دهند، یکی از مسائل مرکزی پژوهش منشأ حیات است.
دو چارچوب غالب شکل‌دهندهٔ تفکر دربارهٔ منشأ حیات وجود داشته‌اند: فرضیهٔ «جهان RNA» که پیشنهاد میدهد RNA خودتکثیرکننده پیش از پروتئین‌ها و متابولیسم مدرن آمده است، و ایده‌های «متابولیسم-اول» که بر ترکیبات حامل انرژی مانند تیو-استرها تأکید دارند. تیو-استرها مولکولهای پرانرژی حاوی گوگرد هستند که در بیوشیمی امروز مهم‌اند و کریستیان دو دویوه، برندهٔ نوبل، آنها را به‌عنوان واحد انرژی محتمل در منشأ حیات پیشنهاد کرده بود.
بازتولید گامی که در آن آمینواسیدها به RNA متصل می‌شوند — پیش‌نیازی ضروری برای تشکیل پپتید و سنتز پروتئین‌های رمزگذاری‌شده — از دههٔ 1970 شیمی‌دانان را به چالش کشیده است. رویکردهای پیشین بر شیمی‌های فعال‌سازی بسیار واکنش‌پذیر تکیه داشتند که در آب تجزیه می‌شدند یا واکنش‌های جانبی ناخواسته بین آمینواسیدها تولید می‌کردند به‌جای اتصال انتخابی به RNA.
جزئیات آزمایش: مسیر فعال‌سازی ملایم‌تر
تیم UCL یک استراتژی فعال‌سازی الهام‌گرفته از زیست‌شناسی و ملایم‌تر توسعه داد که آمینواسیدها را به شکلی واکنش‌پذیر تبدیل میکند بدون اینکه در محلول‌های آبی سریعاً هیدرولیز شوند. به‌جای استفاده از فعال‌کننده‌های شیمیایی تهاجمی، پژوهشگران آمینواسیدهای فعال‌شده با تیو-استر را با واکنش آمینواسیدها با یک مولکول کوچک حامل گوگرد به نام پانتوتئین (pantetheine) تشکیل دادند. پانتوتئین هستهٔ کوآنزیم A است و این گروه قبلاً نشان داده بود که پانتوتئین می‌تواند تحت شرایط پیش‌زیستی محتمل سنتز شود که اهمیت آن را برای شیمی زمین اولیه تقویت میکند.
شرایط آزمایشگاهی و روش‌های تحلیلی
واکنشها در آب با pH خنثی و در غلظتهایی اجرا شدند که با تبخیر یا تجمع در گودال‌ها و برکههای آب شیرین اولیه سازگار است و نه در اقیانوس باز که رقیق شدن احتمالاً مانع این شیمی می‌شود. شناسایی تحلیلی بر روش‌های با دقت بالا متکی بود که قادر به تفکیک ساختار مولکولی و جرم در مقیاس اتمی هستند: گونه‌های طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) پیوستگی و آرایش اتمی را بررسی کردند و طیف‌سنجی جرمی جرم‌های مولکولی و محصولات واکنش را تأیید کرد.
این روش‌ها نشان دادند که آمینواسیدهای فعال‌شده با تیو-استر میتوانند به ستون فقرات ریبوز-فسفات رشته‌های کوتاه RNA بهصورت خودبهخودی و انتخابی متصل شوند. مهم‌تر اینکه، این شیمی تمایل به اتصال به RNA را بر تراکم خودبهخودی آمینواسیدها که مشکل تلاش‌های پیشین بود، ترجیح داد.
کشف‌های کلیدی و پیامدها
پیشرفت مرکزی، شواهد تجربی است که نشان میدهد آمینواسیدها وقتی تحت شرایط ملایم و سازگار با آب به تیو-استر تبدیل شوند، میتوانند روی RNA بارگذاری شوند. پس از الحاق، این آمینواسیدهای متصل به RNA میتوانند در تشکیل پیوند پپتیدی با سایر آمینواسیدها شرکت کنند تا پپتیدهای کوتاه — پیش‌ماده‌های مولکولی پروتئین‌ها — تولید شوند.
این نتیجه دو فرضیهٔ پیش‌تر رقابتی یا تکمیلی منشأ حیات را پیوند میدهد: جهان RNA (تأکید بر مولکولهای حامل اطلاعات) و ایده‌های متابولیسم‌محور مبتنی بر تیو-استرها (تأکید بر شیمی انرژی). با نشان دادن مسیر شیمیایی محتملی که شیمی RNA و تیو-استر را متحد میکند، این مطالعه مکانیسمی را پیشنهاد میدهد که چگونه پلیمرهای ژنتیکی اولیه می‌توانستند شروع به تأثیرگذاری بر آرایش پپتیدها کنند — گامی نخستین به‌سوی سنتز پروتئین‌های رمزگذاری‌شده و پیدایش یک کد ژنتیکی.
پرفسور متیو پاونر (دپارتمان شیمی UCL) این نتیجه را به‌عنوان گامی حیاتی در توضیح نحوهٔ به‌دست‌گیری کنترل سنتز پروتئین توسط RNA قلمداد میکند. نویسنده ارشد دکتر جیوتی سینگ تأکید میکند که آمینواسیدهای فعال‌شده در این مطالعه شبیه بلوک‌های ساختاری بیوشیمیایی (تیو-استرهای مشتق از پانتوتئین/کوآنزیم A) هستند که در حیات امروز یافت می‌شوند و احتمالاً متابولیسم ابتدایی را به توسعهٔ بعدی رمزگذاری ژنتیکی و شیمی مؤثر آنزیمی پیوند می‌دهند.
چرا این شیمی برای سناریوهای منشأ حیات اهمیت دارد
پپتیدها زنجیره‌های کوتاهی از آمینواسیدها (معمولاً 2–50 اسیدآمینه) هستند و به‌عنوان داربست‌های عملکردی و کاتالیست‌ها در زیست‌شناسی مدرن عمل می‌کنند. نشان دادن مسیری که توسط آن RNA می‌تواند آمینواسیدهای فعال‌شده را حمل کند و آنها بتوانند پپتید تشکیل دهند، یک شکاف طولانی‌مدت را برطرف میکند: چگونه یک پلیمر اطلاع‌رسان مانند RNA می‌توانست قبل از وجود ریبوزوم‌ها و ماشین ترجمهٔ مدرن، تشکیل پپتیدها را ترویج یا الگوبرداری کند؟
این یافته کمک میکند توضیح دهد چگونه اختصاصیت می‌تواند آغاز شود: اگر توالیهای معین RNA به‌طور ترجیحی آمینواسیدهای فعال‌شدهٔ خاصی را باند یا تثبیت کنند، آن باند ترجیحی می‌تواند نمایانگر یک سیستم کدگذاری شیمیایی ابتدایی باشد. با گذشت زمان، انتخاب و افزایش پیچیدگی شیمیایی ممکن است روابط بین توالیهای اسید نوکلئیک و هویت‌های آمینواسیدی — پایهٔ کد ژنتیکی — را تصحیح و تثبیت کند.
محدودیتها و قیود زمینه‌ای
پژوهشگران تأکید می‌کنند که کار بر شیمی در شرایط کنترل‌شدهٔ آزمایشگاهی متمرکز است و ادعا نمی‌کنند که یک سامانهٔ ترجمهٔ پیش‌زیستی کاملاً کارآمد را بازسازی کرده‌اند. به‌نظر می‌رسد این واکنشها در حوضچه‌ها یا برکههای آب شیرین متمرکزی که تبخیر و فرایندهای ژئوشیمیایی واکنش‌دهنده‌ها را تمرکز می‌بخشند، امکان‌پذیر باشند؛ آنها کمتر احتمال دارد در اقیانوس وسیع و رقیق رخ دهند.
موانع اضافی باقی است: دستیابی به پپتیدهای بلندتر، تولید جفت‌شدگی توالی-اختصاصی تکرارپذیر بین RNA و آمینواسیدها، و نشان دادن چرخههای تکثیر و انتخاب که منجر به پیچیدگی بیشتر شوند. علی‌رغم این چالش‌ها، این آزمایش مانع شیمیایی بزرگی را حذف کرده و یک مکانیسم آزمون‌پذیر برای کارهای آینده فراهم میآورد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا وارگاس، ستاره‌شناس زیستی و پژوهشگر منشأ حیات (دانشگاه کالیفرنیا، برای اظهار نظر فرضی)، می‌گوید: «این مطالعه مهم است زیرا حدس‌ها دربارهٔ چگونگی اتصال آمینواسیدها به نوکلئیک‌اسیدها را با یک مسیر تجربی‌تأییدشده جایگزین میکند. استفاده از فعال‌سازی تیو-استر در آب خنثی از نظر شیمیایی منطقی و از نظر ژئوشیمیایی محتمل است — این حالت با محیط‌هایی که قبلاً برای شیمی پیش‌زیستی امیدوارکننده می‌دانیم، مانند برکههای خشکشونده و دریاچه‌های تحت تأثیر فعالیت‌های هیدروترمال، مطابقت دارد.»
او اضافه میکند: «گام بعدی آزمایش است که آیا توالیهای مشخص RNA میتوانند به‌طور مداوم برخی آمینواسیدها را بر دیگران انتخاب کنند. اگر آن اختصاصیت تحت شرایط محتمل پدیدار شود، شروع به دیدن چگونگی پیدایش کدگذاری ابتدایی بدون آنزیم‌های مدرن خواهیم کرد. این برای جستجوی زندگی فرازمینی تحول‌آفرین خواهد بود، زیرا نشانه‌های شیمیایی مشخصی را ارائه میدهد که می‌توان در نمونه‌های سیاره‌ای جستجو کرد.»
فناوری‌های مرتبط و چشم‌اندازهای آینده
پیشرفت‌های تحلیلی در طیف‌سنجی و طیف‌سنجی جرمی امکان شناسایی و توصیف واسطههای زودگذر و با غلظت پایین را فراهم کرده‌اند که برای روش‌های قدیمی نامرئی بودند. پیشرفت‌های بیشتر در سنتز پیش‌زیستی، شبیهسازی میکروفلوئیدی چرخههای تر-خشک، و مدل‌سازی محیطهای سیاره‌ای اولیه به پژوهشگران کمک خواهد کرد تا این یافته‌ها را به سیستم‌های پیچیده‌تر توسعه دهند.
آزمایش‌های عملی آینده شامل موارد زیر هستند:
- آزمایش مجموعهٔ گسترده‌تری از آمینواسیدها و توالیهای RNA برای ارزیابی ترجیحات باندینگ و نتایج وابسته به توالی.
- شبیهسازی چرخههای محیطی (تر-خشک، یخ‌زدگی-آب‌شدن، گرادیان‌های حرارتی) برای بررسی اینکه آیا این واکنشها میتوانند تکرار، متمرکز و به مسیرهای پلیمریزاسیون متصل شوند.
- ادغام سطوح معدنی یا لیپیدها برای ارزیابی اینکه آیا تقسیم‌بندی و کاتالیز می‌تواند طول پپتیدها و پیدایش شبکههای پروتو-متابولیکی را بیشتر پیش ببرد.
از دیدگاه اخترزیست‌شناسی، این مطالعه سناریوهای شیمیایی را که باید هنگام جستجوی نشانه‌های حیات در سیاره‌های دیگر در نظر بگیریم، تصحیح میکند. اگر شیمی تیو-استر و اتصال RNA–آمینواسید تحت طیفی از شرایط محیطی مقاوم باشد، شیمی معادلی می‌تواند در قمرهای یخی یا محیطهای مشابه مریخ اولیه که تعامل آب-سنگ و شیمی گوگرد وجود دارد، محتمل باشد.
اهمیت گسترده‌تر
با پیوستن تجربی دو بلوک مفهومی — آمینواسیدهای فعال‌شده (تیو-استرها) و RNA — این کار فاصله بین شیمی و زیست‌شناسی را تنگ‌تر میکند. نشان میدهد که اجزای اصلی بیوشیمی مدرن ممکن است پیشینه‌ای زمینی و پیش‌زیستی داشته باشند که نه تنها از نظر شیمیایی محتمل‌اند، بلکه قابل اثبات تجربی نیز هستند.
ارتباط با پانتوتئین و شیمی مشابه کوآنزیم A به‌ویژه جالب است زیرا اشاره به تداوم بین شیمی اتصال انرژی نخستین و مسیرهای متابولیکی امروزی دارد. چنین تداومی از دیدگاه تدریجی حمایت میکند که در آن متابولیسم، ذخیرهٔ اطلاعات و عملکردهای کاتالیزوری هم‌زمان تکامل یافته‌اند به‌جای آنکه در یک جهش ناگهانی ظاهر شوند.
نتیجه‌گیری
آزمایش UCL شواهد آزمایشگاهی قانع‌کننده‌ای ارائه میدهد که آمینواسیدهایی که بهصورت تیو-استر فعال شده‌اند میتوانند بهصورت انتخابی تحت شرایط ملایم آبی سازگار با محیطهای آب شیرین زمین اولیه به RNA متصل شوند. این نتیجه شکاف بین فرضیهٔ جهان RNA و نظریه‌های مبتنی بر تیو-استر را کاهش میدهد و یک مسیر شیمیایی محتمل به‌سوی مراحل اولیه تشکیل پپتیدها و پیدایش سنتز پروتئین‌های رمزگذاری‌شده ارائه میدهد. اگرچه پرسش‌های زیادی باقی است — به‌ویژه دربارهٔ اختصاصیت توالی، ساخت پپتیدهای بلندتر و امکان‌سنجی محیطی در مقیاس — این مطالعه گامی معنادار در بازسازی این است که چگونه مولکولهای اطلاع‌رسان و عملکردی حیات شروع به همکاری کرده‌اند. کارهای آینده بررسی خواهند کرد که آیا توالیهای RNA میتوانند به‌طور سیستماتیک آمینواسیدها را انتخاب کنند و چگونه این تعاملات ابتدایی میتوانند به کد ژنتیکی که اساس تمام زیست‌شناسی شناخته‌شده است، تکامل یابند.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات