Nowe badania badają, w jaki sposób amyloidy, zdolne do tworzenia się we wczesnych warunkach ziemskich i wiązania się z RNA i DNA, mogły odegrać kluczową rolę w powstaniu życia poprzez zwiększenie stabilności molekularnej i zachęcanie do współpracy zamiast konkurencji.
Pytanie, w jaki sposób żywe organizmy powstają z materii nieożywionej, pozostaje jedną z najgłębszych tajemnic nauki. Pomimo licznych teorii ostateczne wyjaśnienie pozostaje nieuchwytne. Nie jest to nieoczekiwane, biorąc pod uwagę, że zdarzenia te miały miejsce od trzech do czterech miliardów lat temu, w radykalnie odmiennych warunkach na starożytnej Ziemi.
Uzasadnij hipotezy danymi eksperymentalnymi
„W tak długim okresie ewolucja całkowicie zatarła ślady prowadzące do początków życia” – mówi Roland Reck, profesor chemii fizycznej i współdyrektor nowego interdyscyplinarnego Centrum Pochodzenia i Rozpowszechniania Życia w ETH Zurich. Nauka nie ma innego wyjścia, jak tylko formułować hipotezy i jak najdokładniej je potwierdzać danymi eksperymentalnymi.
Przez lata Rick i jego zespół pracowali nad koncepcją, że agregaty białkowe, zwane amyloidami, mogą odgrywać ważną rolę w przejściu między chemią a biologią. Pierwszym krokiem grupy badawczej Ricka było wykazanie, że takie amyloidy mogą tworzyć się stosunkowo łatwo w warunkach, które mogły panować na wczesnej Ziemi: w laboratorium wystarczy odrobina gazu wulkanicznego (plus umiejętności eksperymentalne i dużo cierpliwości). ) dla prostoty Aminokwasy Łączą się w krótkie łańcuchy peptydowe, które następnie spontanicznie łączą się, tworząc włókna.
Elementarne cząsteczki życia
Później zespół Ricka wykazał, że amyloidy mogą się replikować, co oznacza, że cząsteczki spełniają kolejne istotne kryterium, aby można je było uznać za prekursory życia. Teraz naukowcy po raz trzeci przyjęli to samo stanowisko w swoim najnowszym badaniu, w którym wykazali, że amyloidy są w stanie wiązać się z cząsteczkami obu… RNA I DNA.
Interakcje te opierają się częściowo na przyciąganiu elektrostatycznym, ponieważ niektóre amyloidy są – przynajmniej w niektórych miejscach – naładowane dodatnio, podczas gdy materiał genetyczny ma ładunek ujemny, przynajmniej w środowisku obojętnym lub kwaśnym. Jednak Rick i jego zespół zauważyli również, że interakcje zależą również od sekwencji nukleotydów RNA i DNA w materiale genetycznym. Oznacza to, że mogą stanowić swego rodzaju wprowadzenie do uniwersalnego kodu genetycznego spajającego wszystkie żyjące istoty.
Zwiększona stabilność jako główna cecha
Jednakże: „Chociaż widzimy różnice w sposobie wiązania cząsteczek RNA i DNA z amyloidami, nie rozumiemy jeszcze, co te różnice oznaczają” – mówi Rick. „Nasz model jest prawdopodobnie nadal zbyt prosty”. Dlatego też uważa za szczególnie ważny inny aspekt swoich odkryć: kiedy materiał genetyczny przyłącza się do amyloidów, obie cząsteczki zyskują stabilność. W czasach starożytnych ta zwiększona stabilność mogła być wielką zaletą.
Dzieje się tak dlatego, że w tamtym czasie w tzw. zupie pierwotnej cząsteczki biochemiczne były bardzo rozcieńczone. Porównaj to z dzisiejszymi komórkami biologicznymi, w których cząsteczki te są ściśle ze sobą upakowane. „Amyloidy wykazują zdolność do zwiększania lokalnego stężenia i rozmieszczenia nukleotydów w rozcieńczonym, nieuporządkowanym układzie” – napisali badacze z RIC w swoim niedawno opublikowanym artykule.
Rick zwraca uwagę, że chociaż konkurencja jest kluczowym elementem teorii ewolucji Darwina, kluczową rolę ewolucyjną odegrała także współpraca. Obie klasy cząsteczek korzystają ze stabilizującego oddziaływania między amyloidami a cząsteczkami RNA lub DNA, ponieważ cząsteczki o długim czasie życia akumulują się z czasem silniej niż materiały niestabilne. Współpraca molekularna, a nie konkurencja, mogła być decydującym czynnikiem w powstaniu życia. „W każdym razie prawdopodobnie nie brakowało wtedy miejsca ani zasobów” – mówi Rick.
Odniesienie: „Analiza interakcji nukleotydów i amyloidów ujawnia wiązanie RNA selektywnie pod względem wielkości kodonów” autorstwa Saroj K. Root, Ricardo Cadalbert, Nina Schroeder, Julia Wang, Johannes Zehnder, Olivia Gump, Thomas Wiegand, Peter Guntert, David Klingler, Christoph Kreutz, Anna Knorrlein, Jonathan Hall, Jason Greenwald i Roland Reck, 2 października 2023 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
doi: 10.1021/jacs.3c06287