Spór o początek życia- hipoteza „świata RNA”

Nasza planeta powstała ok. 4,5 mld lat temu i, jak
się
wydaje, najwcześniejsze ślady życia można datować
na ok. 3,5 mld lat temu. Ślady te to mikropęcherzyki
w skałach osadowych, będące najprawdopodobniej
pozostałościami po prymitywnych komórkach.
Warunki panujące na powierzchni Ziemi w ciągu
owego pierwszego miliarda lat ewolucji nie są
dokładnie znane, wiadomo jednak, że planeta była
pokryta wodą, zaś w jej atmosferze praktycznie nie
było tlenu, bowiem obecnie występujący tlen jest
wynikiem aktywności fotosyntetycznej roślin.
Zakłada się, że pierwotna atmosfera zawierała
między innymi metan i amoniak.

Przeprowadzono wiele eksperymentów symulujących warunki, jakie
panowały na Ziemi
4 mld lat temu i wykazano, że wyładowania elektryczne są w stanie
spowodować syntezę wielu związków organicznych, stanowiących
podstawowe składniki żywych komórek, jak aminokwasy, zasady
purynowe i pirymidynowe oraz cukry.

Amerykański naukowiec S. Miller w

1953 r. przeprowadził doświadczenie

odtwarzające prawdopodobne warunki

panujące w atmosferze ziemskiej

sprzed 3,8 mld lat. Mieszaninę gazów

(oprócz formaldehydu) Miller umieścił

w kolbie i poddawał wyładowaniom

elektrycznym, na podobieństwo

wyładowań atmosferycznych. Jako

produkty tego doświadczenia powstały

aminokwasy (składniki budulcowe

białek): alanina, glicyna, kwas

asparaginowy, walina oraz w mniejszej

ilości: izoleucyna, kwas glutaminowy,

leucyna, seryna i treonina. Miller

stwierdził również obecność zasad

azotowych, zarówno pirymidynowych,

jak i purynowych (niezbędne składniki

kwasów nukleinowych: RNA, DNA).

Związki te stanowią dobry wstęp do

budowy białek i kwasów nukleinowych.

Początki życia wymagały jednak kondesacji takich

cząsteczek w polimery i co najważniejsze — uzyskania
przez te polimery zdolności do powielania się.
Polimeryzacja mogła nastąpić w wysychających płytkich
wodach oceanicznych, mogła też zostać przyspieszona
poprzez adsorpcję na powierzchni minerałów, gdzie
wzrost stężenia cząsteczek ułatwiałby tworzenie się
łańcuchów, zaś procesy hydrolizy, czyli degradacji
makromolekuł pod wpływem wody, byłyby spowolnione.

odkrycie rybozymów

Najistotniejszym krokiem na drodze ewolucji

prostych polimerów organicznych było jednak nie tyle
utworzenie takich cząsteczek w tzw. pierwotnym
bulionie, czyli wodach Ziemi, ale uzyskanie przez te
cząsteczki zdolności do replikacji (kopiowania) swojej
struktury. Umiejętność replikacji, a więc przekazania
potomnym cząsteczkom swoich cech, jest bowiem
podstawowym motorem ewolucji

Jednym z głównych zagadek dotyczących

pochodzenia życia na Ziemi jest powstanie

pierwszego replikatora. Pod tym pojęciem

rozumiem strukturę zdolną do samopowielania

się a także do ewolucji drogą mutacji (czyli

błędów w kopiowaniu się) oraz doboru

naturalnego. Dzisiaj takimi replikatorami są

przede wszystkim żywe organizmy. Jednak nawet

najprostsze komórki zdolne do autoreplikacji są

na tyle skomplikowanymi tworami że ich

przypadkowe powstanie od razu w zbliżonej do

dzisiejszej formie jest zdecydowanie odrzucane

przez większość badaczy

CO BYŁO PIERWSZE?

JAJKO CZY KURA:

DNA czy białka?

Etap ten stanowił przez wiele lat najtrudniejszy problem do

wyjaśnienia. Zachodził tu bowiem paradoks typu: co było
wcześniej — kura czy jajko? Wydawało się, że rolę katalizatorów
wszystkich procesów biologicznych (enzymów) pełnią białka,
będące polimerami aminokwasów.

Z kolei informacja o strukturze białek zapisana jest w kwasach
deoksyrybonukleinowych (DNA) jako sekwencja nukleotydów.
Białka nie potrafią się replikować, z kolei replikacja DNA
wymaga białek.
Z tego powodu nie można było postulować, że początek życiu
dały białka, gdyż nie potrafiłyby one przekazać informacji o swej
strukturze innym cząsteczkom.
Z drugiej strony spontaniczne powstanie łańcucha kwasu
nukleinowego w nieobecności białek nie mogłoby prowadzić do
replikacji DNA.

Paradoks ten został rozwiązany w

1981 r

., kiedy

badacze amerykańscy T

. Cech i S. Altman

(Nagroda Nobla w 1990

r.) udowodnili, że

kwas rybonukleinowy (RNA) może pełnić funkcje

katalityczne bez udziału białek. Tak więc cząsteczka

RNA może być zarówno nośnikiem informacji

genetycznej, jak i pełnić rolę enzymu. W obecnym

świecie ożywionym niektóre procesy w komórce są

oparte na katalizie z udziałem RNA np. translacja,

dojrzewanie mRNA i inne, ale większość reakcji

biochemicznych prowadzona jest przez białka.

Cząsteczki RNA zdolne do katalizy (w odróżnieniu od

tych, które pełnią rolę wyłącznie jako nośnik

informacji genetycznej

) nazwano rybozymami.

Tak więc okazało się że RNA

może pełnić rolę enzymu,

ale czy może

ewoluować.....?

Wiadome jest, że obecnie do życia organizmów

konieczna są białka, DNA i RNA.

Jednak właściwości RNA pozwalają sądzić, że w

toku ewolucji było ono jako pierwsze z nich. RNA

zdaje się posiadać najważniejsze cechy, zarówno

białek (posiada aktywność katalityczną), jak i DNA

(stanowi zapis informacji genetycznej), które

wystarczyłyby do stworzenia „kwazi-organizmu”

bez metabolizmu. Sekwencja RNA stanowi zapis

genetyczny- genotyp, a fenotypem jest jego

struktura przestrzenna.

Ponadto między kwasami DNA i RNA występują

znaczne różnice we właściwościach chemicznych.

To właśnie ryboza powstaje z formaldehydu w

reakcji formozowej. Deoksyryboza powstaje z

rybozy w reakcji katalizowanej enzymatycznie

(enzymy białkowe).

DNA to lepszy materiał służący do

przechowywania informacji genetycznej. Są

cząsteczkami bardziej stabilnymi, mogą więc być

dłuższe. DNA przybiera formę dwuniciową, co

zapewnia większą stabilność (jedna nić może być

matrycą do naprawy drugiej). Dodatkową

możliwość naprawy dostarcza zamiana uracylu

(wystpującego w RNA) na tyminę (w DNA).

Enzymy naprawcze DNA rozpoznają uracyl, który

jest produktem deaminacji cytozyny i uruchamiają

naprawę.

Raczej więc jest pewne, że podczas ewolucji to

właśnie RNA powstał przed DNA i białkami

Odkrycie rybozymów oraz doświadczalne wykazanie ewolucji

molekularnej dało podstawę do sformułowania hipotezy "Świata

RNA" zwaną również od nazwiska autora "Teorią Eigena".

Niewątpliwą zaletą tej hipotezy jest to że wg. niej życie można

wyprowadzić od pojedynczej, lub kilku, cząsteczek zdolnych do

autoreplikacji. Przy czym RNA spełniałoby to podwójną rolę,

zarówno

genotypu

jak

fenotypu.

Według hipotezy po powstaniu koniecznych związków

organicznych, powstały samoreplikujące się cząsteczki

RNA , po pewnym czasie powstały kompleksy RNA-białko

które

lepiej

spełniały

funkcje

katalityczne,

póżniej

prakomórki i w końcu pojawił się dzisiejszy schemat

dziedziczenia DNA->RNA->białko.
Ogólne spekulacje oczywiście nie zadowoliły wszytkich i

naturalnym celem dalszych badań stało się z jednej strony

poznanie rzeczywistych możliwości RNA jako enzymu a

przede wszytkim szukanie "Świętego Graala" zwolenników

"Świata RNA" czyli takiej cząsteczki która potrafiłaby

samodzielnie się zreplikować.
Co ciekawe, jako metody szukania rybozymów o żądanych

własnościach stosuje się właśnie selekcji RNA o żądanych

właściwościach z puli cząsteczek RNA o przypadkowej

budowie oraz różne formy ewolucji "w próbówce".

Badacz D. Bartel z USA wraz ze swoim zespołem skonstruował rybozymy

zdolne do powielania sekwencji 14 nukleotydów, czyli do replikacji in vitro.
Doświadczenie Bartela było w istocie przeprowadzeniem ewolucji in vitro:
do znanego uprzednio rybozymu zdolnego do ligacji, czyli łączenia ze
sobą cząsteczek RNA, dodawano mieszaninę losowo zsyntetyzowanych
odcinków RNA: każdy odcinek miał długość 76 nukleotydów, liczba
różnych sekwencji w obrębie tych 76 nukleotydów wynosiła ok. 10e

. W

kolejnych rundach doświadczenia selekcjonowano cząsteczki zdolne do
replikacji.
W ten sposób z losowej kolekcji najróżniejszych sekwencji RNA
"wyewoluowano" rybozym zdolny do przeprowadzania pożądanej reakcji.
Ma długość zaledwie 189 rybonukleotydów, tak więc spontaniczne
powstanie podobnych cząsteczek w ciągu miliarda lat pierwszej fazy
ewolucji wydaje się bardzo prawdopodobne.

W roku 2001 hipoteza "świata RNA"
doczekała się kolejnego
potwierdzenia eksperymentalnego

Document Outline