Neljä miljardia vuotta sitten elämän ensimmäiset molekyyliset esiasteet syntyivät maapallon alkukemikaalikeitossa. Vaikka näiden molekyylien henkilöllisyydestä käydään edelleen kiivasta keskustelua, tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että molekyyleillä on täytynyt olla kaksi päätehtävää: tiedon tallentaminen ja kemiallisten reaktioiden katalysointi. Nykyaikainen solu antaa nämä tehtävät DNA:lle ja proteiineille – mutta nykyään elämän alkuperätutkimusta ja biologian oppikirjojen kuvauksia hallitsevan kertomuksen mukaan RNA hoiti nämä tehtävät ensimmäisenä ja tasoitti tietä DNA:lle ja proteiineille, jotka ottivat ne myöhemmin hoitaakseen.
Tätä 1960-luvulla esitettyä ja kaksi vuosikymmentä myöhemmin ”RNA-maailmaksi” kutsuttua hypoteesia pidetään tavallisesti todennäköisimpänä selityksenä sille, miten elämä sai alkunsa. Vaihtoehtoisia ”maailmoja” on runsaasti, mutta niitä pidetään usein varateorioina, mielikuvituslennoiksi tai oikullisiksi ajatuskokeiluiksi.
Se johtuu pääasiassa siitä, että teorioita unohtamatta RNA-maailma on saanut paljon enemmän kokeellista todistusaineistoa kuin sen kilpailijat ovat keränneet. Viime kuussa Quanta-lehti kertoi vaihtoehtoisesta teoriasta, jonka mukaan RNA:n sijasta proteiinin kaltaiset molekyylit ovat saattaneet olla planeetan ensimmäiset itsereplikoijat. Sen havainnot olivat kuitenkin puhtaasti laskennallisia; tutkijat ovat vasta aloittaneet kokeet etsiäkseen tukea väitteilleen.
Nyt tutkijapari on esittänyt toisen teorian – tällä kertaa RNA:n ja peptidien yhteisevoluutiosta – jonka he toivovat horjuttavan RNA-maailman otetta.
Miksi RNA oli riittämätön
Biosystems and Molecular Biology and Evolution -lehdessä hiljattain julkaistuissa artikkeleissa hahmoteltiin, miksi RNA-maailman hypoteesi ei tarjoa riittävää pohjaa sitä seuranneille evoluutiotapahtumille. Sen sijaan, sanoi Charles Carter, rakennebiologi Pohjois-Carolinan yliopistosta Chapel Hillissä, joka oli mukana kirjoittamassa artikkeleita, malli edustaa ”tarkoituksenmukaista ehdotusta”. ”Ei ole mitenkään mahdollista, että yksittäinen polymeeri voisi suorittaa kaikki tarvittavat prosessit, jotka nyt luonnehdimme osaksi elämää”, hän lisäsi.”
Eikä tuo yksittäinen polymeeri ainakaan voisi olla RNA, Carterin ryhmän tutkimusten mukaan. Tärkein molekyyliä koskeva vastaväite koskee katalyysiä: Jotkut tutkimukset ovat osoittaneet, että jotta elämä olisi voinut syntyä, mysteeripolymeerin olisi täytynyt koordinoida sellaisten kemiallisten reaktioiden nopeutta, jotka voivat erota toisistaan jopa 20 suuruusluokkaa. Vaikka RNA pystyisikin jotenkin tekemään tämän prebioottisessa maailmassa, sen katalysaattorikyvyt olisi täytynyt mukauttaa alkuaikojen maapallolla vallinneisiin polttaviin lämpötiloihin – noin 100 celsiusasteen lämpötiloihin. Kun planeetta alkoi viilentyä, RNA ei olisi Carterin mukaan kyennyt kehittymään ja jatkamaan synkronointityötä. Ennen pitkää kemiallisten reaktioiden sinfonia olisi mennyt sekaisin.
Mahdollisesti tärkeintä on, että pelkkä RNA-maailma ei voisi selittää geneettisen koodin syntyä, jota lähes kaikki elävät organismit nykyään käyttävät kääntääkseen geneettisen informaation proteiineiksi. Koodissa kukin 64:stä mahdollisesta kolmen nukleotidin RNA-sekvenssistä yhdistetään yhteen 20:stä aminohaposta, joita käytetään proteiinien rakentamiseen. Pelkällä RNA:lla kestäisi aivan liian kauan löytää riittävän vahvat säännöt, sanoi Peter Wills, Carterin toinen kirjoittaja Aucklandin yliopistossa Uudessa-Seelannissa – jos RNA-maailma edes pääsisi siihen pisteeseen, mitä hän piti erittäin epätodennäköisenä. Willsin mielestä RNA saattoi katalysoida omaa muodostumistaan, mikä teki siitä ”kemiallisesti refleksiivisen”, mutta siltä puuttui se, mitä hän kutsui ”laskennalliseksi refleksiivisyydeksi”.
”Systeemin, joka käyttää informaatiota niin kuin organismit käyttävät geneettistä informaatiota – syntetisoidakseen omia komponenttejaan – täytyy sisältää refleksiivistä informaatiota”, Wills sanoi. Hän määritteli refleksiivisen informaation informaatioksi, joka ”kun järjestelmä dekoodaa sen, se valmistaa komponentteja, jotka suorittavat juuri tuon tietyn dekoodauksen”. RNA-maailman hypoteesin RNA, hän lisäsi, on pelkkää kemiaa, koska sillä ei ole keinoja kontrolloida kemiaansa. ”RNA-maailma ei kerro mitään genetiikasta”, hän sanoi.
Luonnon oli löydettävä toinen reitti, parempi oikotie geneettiseen koodiin. Carter ja Wills uskovat löytäneensä tuon oikotien. Se riippuu tiukasta takaisinkytkennästä – sellaisesta, joka ei olisi kehittynyt pelkän RNA:n vaan peptidi-RNA-kompleksin avulla.
Peptidit mukaan sekaan
Carter löysi viitteitä tuosta kompleksista 1970-luvun puolivälissä, kun hän oppi jatko-opiskeluaikanaan, että tietyt useimmissa proteiineissa esiintyvät rakenteet ovat ”oikeakätisiä”. Toisin sanoen rakenteissa olevilla atomeilla voisi olla kaksi vastaavaa peilikuvamaista järjestelyä, mutta kaikissa rakenteissa käytetään vain yhtä. Myös suurin osa DNA:n ja RNA:n muodostavista nukleiinihapoista ja sokereista on oikeakätisiä. Carter alkoi ajatella RNA:ta ja polypeptidejä toisiaan täydentävinä rakenteina, ja hän mallinnti kompleksin, jossa ”ne oli tehty toisiaan varten, kuin käsi hansikkaassa.”
Tämä merkitsi alkeellista koodausta, pohjaa RNA:n ja polypeptidin väliselle informaation vaihdolle. Hän oli juuri hahmottelemassa, miltä se olisi voinut näyttää, ja työskenteli taaksepäin paljon kehittyneemmästä nykyaikaisesta geneettisestä koodista. Kun vuonna 1986 keksitty RNA-maailma nousi julkisuuteen, Carter myönsi: ”Olin aika raivostunut”. Hänestä tuntui, että hänen kymmenen vuotta aiemmin esittämänsä peptidi-RNA-maailma oli jätetty täysin huomiotta.
Sen jälkeen hän, Wills ja muut ovat tehneet yhteistyötä teorian parissa, joka juontaa juurensa tuohon tutkimukseen. Heidän päätavoitteensa oli selvittää hyvin yksinkertainen geneettinen koodi, joka edelsi nykyistä tarkempaa ja monimutkaisempaa koodia. Niinpä he kääntyivät laskennan lisäksi myös genetiikan puoleen.
Heidän teoriansa keskiössä on 20 ”lataavaa” molekyyliä, joita kutsutaan aminoasyyli-tRNA-syntetaaseiksi. Näiden katalyyttisten entsyymien avulla RNA voi sitoutua tiettyihin aminohappoihin geneettisen koodin sääntöjen mukaisesti. ”Geneettinen koodi on tavallaan ’kirjoitettu’ näiden entsyymien aktiivisten paikkojen spesifisyyteen”, sanoo Jannie Hofmeyr, eteläafrikkalaisen Stellenboschin yliopiston biokemisti Jannie Hofmeyr, joka ei osallistunut tutkimukseen.
Kaikki nämä entsyymit eivät ole mukana tutkimuksessa.