Repliciran kritičan trenutak u stvaranju života

Kemičari na Sveučilištu u Londonu (UCL) pokazali su kako su se dva najosnovnija sastojka biologije, RNK (ribonukleinska kiselina) i aminokiseline, mogle spontano spojiti pri nastanku života prije četiri milijarde godina.

Aminokiseline su gradivni blokovi proteina, "radni konji" života bitni za gotovo svaki živi proces. Ali proteini se ne mogu replicirati ili proizvoditi sami jer su im potrebne 'upute' koje daje RNK, bliski kemijski rođak DNK (deoksiribonukleinska kiselina).

U novoj studiji, objavljenoj u časopisu Nature, istraživači su kemijski povezali aminokiseline života s RNK u uvjetima koji su se mogli pojaviti na ranoj Zemlji, postignuće koje je znanstvenicima izmicalo od ranih 1970-ih.

Viši autor studije, profesor Matthew Powner, s Odjela za kemiju Sveučilišta u Londonu, rekao je: „Život ovisi o sposobnosti sinteze proteina – oni su ključne funkcionalne molekule života. Razumijevanje podrijetla sinteze proteina temeljno je za razumijevanje odakle je život nastao. Današnji život koristi iznimno složen molekularni stroj, ribosom, za sintezu proteina. Ovaj stroj zahtijeva kemijske upute zapisane u informacijskoj RNK, koja nosi genski slijed od stanične DNK do ribosoma. Ribosom zatim, poput tvorničke trake, čita tu RNK i povezuje aminokiseline, jednu po jednu, kako bi stvorio protein. Postigli smo prvi dio tog složenog procesa, koristeći vrlo jednostavnu kemiju u vodi pri neutralnom pH kako bismo povezali aminokiseline s RNK. Kemija je spontana, selektivna i mogla se dogoditi na ranoj Zemlji.“

U prethodnim pokušajima vezanja aminokiselina na RNK korištene su vrlo reaktivne molekule, ali one su se razgradile u vodi i uzrokovale međusobnu reakciju aminokiselina, umjesto da se vežu za RNK.

Za novu studiju, istraživači su se inspirirali biologijom, koristeći nježniju metodu za pretvaranje životnih aminokiselina u reaktivni oblik. Ova aktivacija uključivala je tioester, visokoenergetski kemijski spoj važan u mnogim biokemijskim procesima života, za koji je već teoretizirano da igra ulogu na početku života.

Profesor Powner je rekao: „Naša studija ujedinjuje dvije istaknute teorije o podrijetlu života – 'svijet RNK', gdje se samoreplicirajuća RNK smatra fundamentalnom, i 'svijet tioestera', u kojem se tioesteri smatraju izvorom energije za najranije oblike života.“

Kako bi se formirali ovi tioesteri, aminokiseline reagiraju sa spojem koji sadrži sumpor, a zove se pantetein. Prošle godine, isti tim objavio je rad u kojem pokazuje da se pantetein može sintetizirati u uvjetima sličnim ranoj Zemlji, što sugerira da je vjerojatno igrao ulogu u nastanku života.

Sljedeći korak, rekli su istraživači, bio je utvrditi kako se RNA sekvence mogu preferencijalno vezati za specifične aminokiseline, tako da RNA može početi kodirati upute za sintezu proteina – podrijetlo genetskog koda.

„Brojni su problemi koje treba prevladati prije nego što u potpunosti razjasnimo podrijetlo života, ali najizazovniji i najuzbudljiviji ostaje podrijetlo sinteze proteina“, rekao je profesor Powner.

Voditeljica istraživanja, dr. Jyoti Singh s kemijskog odjela Sveučilišta u Londonu (UCL), rekla je: „Zamislite dan kada bi kemičari mogli uzeti jednostavne, male molekule, koje se sastoje od atoma ugljika, dušika, vodika, kisika i sumpora, i od tih LEGO komadića oblikovati molekule sposobne za samoreplikaciju. To bi bio monumentalan korak prema rješavanju pitanja podrijetla života.“

„Naša studija nas približava tom cilju pokazujući kako su dva primordijalna kemijska LEGO dijela (aktivirane aminokiseline i RNK) mogla izgraditi peptide, kratke lance aminokiselina koji su bitni za život. Ono što je posebno revolucionarno jest to što je aktivirana aminokiselina korištena u ovoj studiji tioester, vrsta molekule napravljene od koenzima A, kemikalije koja se nalazi u svim živim stanicama. Ovo otkriće bi potencijalno moglo povezati metabolizam, genetski kod i izgradnju proteina.“

Iako se rad usredotočuje isključivo na kemiju, istraživački tim je rekao da su se reakcije koje su demonstrirali mogle vjerojatno odvijati u bazenima ili jezerima vode na ranoj Zemlji, ali vjerojatno ne u oceanima jer bi koncentracije kemikalija vjerojatno bile previše razrijeđene.

Reakcije su premale da bi se vidjele mikroskopom vidljive svjetlosti i praćene su nizom tehnika koje se koriste za ispitivanje strukture molekula, uključujući nekoliko vrsta magnetske rezonancije koja pokazuje kako su atomi raspoređeni i masenu spektrometriju koja prikazuje veličinu molekula.