Cztery miliardy lat temu, pierwsze molekularne prekursory życia pojawiły się, wirując w pierwotnej zupie chemicznej Ziemi. Chociaż tożsamość tych cząsteczek pozostaje przedmiotem burzliwej debaty, naukowcy zgadzają się, że musiały one pełnić dwie główne funkcje: przechowywanie informacji i katalizowanie reakcji chemicznych. Współczesna komórka przypisuje te obowiązki odpowiednio swojemu DNA i białkom – ale zgodnie z narracją, która dominuje obecnie w badaniach nad pochodzeniem życia i w opisach podręczników biologii, RNA odgrywało tę rolę jako pierwsze, torując drogę DNA i białkom, które przejęły ją później.
Ta hipoteza, zaproponowana w latach sześćdziesiątych i nazwana „światem RNA” dwie dekady później, jest zwykle postrzegana jako najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie tego, jak życie miało swój początek. Alternatywne „światy” obfitują, ale często są postrzegane jako teorie awaryjne, fantazje lub kapryśne eksperymenty myślowe.
To głównie dlatego, że, pomijając teoretyzowanie, świat RNA jest wzmocniony przez znacznie więcej dowodów eksperymentalnych niż jakikolwiek z jego konkurentów zgromadził. W zeszłym miesiącu, Quanta Magazine doniósł o alternatywnej teorii sugerującej, że białkopodobne cząsteczki, a nie RNA, mogły być pierwszymi samoreplikatorami na naszej planecie. Ale jej ustalenia były czysto obliczeniowe; badacze dopiero rozpoczęli eksperymenty w poszukiwaniu wsparcia dla swoich twierdzeń.
Teraz para badaczy wysunęła inną teorię – tym razem obejmującą koewolucję RNA i peptydów – która, jak mają nadzieję, wstrząśnie światem RNA.
Dlaczego RNA było niewystarczające
Ostatnie prace opublikowane w Biosystems and Molecular Biology and Evolution określiły, dlaczego hipoteza świata RNA nie zapewnia wystarczającej podstawy dla wydarzeń ewolucyjnych, które nastąpiły później. Zamiast tego, powiedział Charles Carter, biolog strukturalny z University of North Carolina, Chapel Hill, który był współautorem tych prac, model reprezentuje „celową propozycję”. „Nie ma możliwości, aby pojedynczy polimer mógł przeprowadzić wszystkie niezbędne procesy, które teraz charakteryzujemy jako część życia”, dodał.
A ten pojedynczy polimer z pewnością nie mógł być RNA, zgodnie z badaniami jego zespołu. Główny zarzut wobec cząsteczki dotyczy katalizy: Niektóre badania wykazały, że aby życie mogło się rozwinąć, tajemniczy polimer musiałby koordynować tempo reakcji chemicznych, które mogą różnić się prędkością nawet o 20 rzędów wielkości. Nawet jeśli RNA mógłby to robić w świecie prebiotycznym, jego możliwości jako katalizatora musiałyby być dostosowane do wysokich temperatur – około 100 stopni Celsjusza – które panowały na wczesnej Ziemi. Carter twierdzi, że kiedy planeta zaczęła się ochładzać, RNA nie byłoby w stanie ewoluować i utrzymać pracy synchronizacji. Przed długi czas, symfonia reakcji chemicznych spadłaby w nieładzie.
Prawdopodobnie najważniejsze, świat tylko RNA nie mógł wyjaśnić pojawienia się kodu genetycznego, który prawie wszystkie żywe organizmy używają dziś do tłumaczenia informacji genetycznej na białka. Kod bierze każdą z 64 możliwych trójnukleotydowych sekwencji RNA i mapuje je na jeden z 20 aminokwasów używanych do budowy białek. Zdaniem Petera Willsa, współautora pracy Cartera z Uniwersytetu w Auckland w Nowej Zelandii, znalezienie zestawu reguł wystarczająco solidnych, by to zrobić, zajęłoby o wiele za dużo czasu przy użyciu samego RNA – o ile świat RNA w ogóle byłby w stanie osiągnąć ten punkt, co uznał za wysoce nieprawdopodobne. W opinii Willsa, RNA może być w stanie katalizować swoje własne tworzenie, co czyni go „chemicznie refleksyjnym”, ale brakuje mu tego, co nazwał „refleksyjnością obliczeniową”.”
„System, który używa informacji w sposób, w jaki organizmy używają informacji genetycznej – do syntezy swoich własnych składników – musi zawierać refleksyjną informację” – powiedział Wills. Zdefiniował refleksyjną informację jako informację, która „kiedy jest dekodowana przez system, tworzy składniki, które wykonują dokładnie to konkretne dekodowanie.” RNA z hipotezy świata RNA, dodał, jest tylko chemią, ponieważ nie ma środków do kontrolowania swojej chemii. „Świat RNA nie mówi ci nic o genetyce”, powiedział.
Natura musiała znaleźć inną drogę, lepszy skrót do kodu genetycznego. Carter i Wills uważają, że odkryli ten skrót. Zależy on od ścisłej pętli sprzężenia zwrotnego – takiej, która nie rozwinęłaby się z samego RNA, lecz z kompleksu peptyd-RNA.
Bringing Peptides Into the Mix
Carter znalazł wskazówki dotyczące tego kompleksu w połowie lat 70-tych, kiedy to dowiedział się w szkole, że pewne struktury widoczne w większości białek są „prawoskrętne”. To znaczy, atomy w strukturach może mieć dwa równoważne układy lustrzane odbicie, ale struktury wszystkie użyć tylko jeden. Większość kwasów nukleinowych i cukrów, z których zbudowane są DNA i RNA, jest również prawoskrętna. Carter zaczął myśleć o RNA i polipeptydach jako o komplementarnych strukturach i wymodelował kompleks, w którym „były one dla siebie stworzone, jak ręka w rękawiczce.”
Wiązało się to z elementarnym rodzajem kodowania, podstawą wymiany informacji między RNA a polipeptydem. Był na dobrej drodze do naszkicowania tego, jak to mogło wyglądać, pracując wstecz od znacznie bardziej wyrafinowanego współczesnego kodu genetycznego. Kiedy świat RNA, ukuty w 1986 roku, zyskał na popularności, Carter przyznał: „Byłem wkurzony”. Czuł, że jego świat peptydów-RNA, zaproponowany dekadę wcześniej, został całkowicie zignorowany.
Od tego czasu on, Wills i inni współpracowali nad teorią, która krąży z powrotem do tamtych badań. Ich głównym celem było poznanie bardzo prostego kodu genetycznego, który poprzedzał dzisiejszy, bardziej specyficzny i skomplikowany. I tak zwrócili się nie tylko do obliczeń, ale także do genetyki.
W centrum ich teorii znajduje się 20 cząsteczek „ładujących” zwanych syntazami aminoacylo-tRNA. Te katalityczne enzymy pozwalają RNA łączyć się z określonymi aminokwasami zgodnie z zasadami kodu genetycznego. „W pewnym sensie, kod genetyczny jest 'napisane’ w specyficzności aktywnych miejsc” tych enzymów, powiedział Jannie Hofmeyr, biochemik na Uniwersytecie Stellenbosch w Republice Południowej Afryki, który nie był zaangażowany w badania.
.