Enzym początku życia

Naukowcy z Scripps Research Institute (TSRI) analizowali naturalną ewolucję w warunkach laboratoryjnych. Udało im się opracować enzym o unikalnych właściwościach, które mogą być kluczowe w wyjaśnieniu etapów powstawania życia na Ziemi. Rzucenie światła na ewolucję życia na naszej planecie nie jest jedyną korzyścią z opracowania tego związku. To potężne osiągnięcie może być wykorzystane w tworzeniu nowych, przydatnych cząsteczek.

„Gdy opowiadam o tym odkryciu, ludzie dziwią się czy możliwe jest byśmy istnieli tylko dzięki temu enzymowi. Jednak jesteśmy właśnie dzięki niemu,” stwierdził Gerald F. Joyce. Jest on profesorem TSRI na Wydziale Chemii oraz Biologii molekularnej komórki. Jest także dyrektorem Instytutu Genomiki Resarch Fundation Novartis.

Joyce był autorem nowego raportu dotyczącego tego odkrycia. Został on opublikowany w czasopiśmie Nature.

Nowy enzym nazwano rybozymem, ponieważ jest wykonany z kwasu rybonukleinowego (RNA). Nowoczesne formy życia oparte na DNA mogły wyewoluować ze „świata RNA”. Wielu naukowców podejrzewa, że pierwsze cząsteczki RNA miały właściwości samo-replikatorów.

Rybozym działa właśnie w ten sposób. Pomaga on łączyć się „kopiowanym” niciom RNA. Wykorzystuje w tym celu oryginale nici RNA jako swoiste odniesienie bądź szablony. Enzym ten nie tworzy jednak wiernej kopii. Zamiast tego tworzona jest kopia odbicia lustrzanego danej cząsteczki RNA.

Nikt wcześniej nie opracował działającego chiralnie enzymu. Pojawienie się takich enzymów w świecie RNA było bardzo ważne. Mogło to pozwolić na pokonanie przeszkód związanych z tworzeniem nowych form życia.

Biologia na Ziemi ewoluowała w ten sposób, że w każdej z grup cząsteczek zaczynała dominować forma chiralna bądź achiralna. Większość cząsteczek RNA jest prawoskrętnych. Nazywane są D-RNA. Identyczność strukturalna umożliwia bardziej efektywne oddziaływania w obrębie tej grupy.

„Naukowcy zrozumieli, że musi występować wspólna chiralność pomiędzy cząsteczkami, żeby poprawnie oddziaływały,” powiedział Joyce.

Wydaje się jednak, że proste cząsteczki RNA występujące pierwotnie na Ziemi składały się z mieszaniny form prawo- i lewoskrętnych. Joyce jako student opublikował artykuł w Nature. Prezentował w nim pogląd, że samo – replikatory miały trudny okres ewolucji w takich warunkach. Każda nić RNA zbierała niesparowane nukleotydy na swoją nić. Ostatecznie włączały nukleotydy RNA o przeciwnej skręcalności.

„Od tego czasu wszyscy zastanawiają się, jak rozpoczęła się replikacja RNA na Ziemi,” powiedział dalej Joyce.

Jedna z teorii głosi, że prawoskrętny enzym RNA osiągnął zdolność do tworzenia innych prawoskrętnych cząsteczek RNA. Ignorował natomiast lewoskrętne formy L-RNA. Joyce i inni naukowcy stworzyli takie rybozymy w warunkach laboratoryjnych. Okazało się, że skłonność RNA do tworzenia lepkich końców par zasad utrudnia jego zdolność do powielania innych cząsteczek RNA, lecz nie wszystkich.

Enzym replikujący RNA miałby mniejszą przyczepność do cząsteczek RNA. „Później wyewoluowały enzymy białkowe, które mogły przeprowadzać replikację RNA oraz DNA. Nie są kwasami nukleinowymi, więc nie mogą tworzyć par zasad z kwasami nukleinowymi. Mają natomiast zdolność do kopiowania,” stwierdził Joyce.

W jaki sposób pracował enzym RNA w pierwotnym świecie ograniczonym wyłącznie do RNA?

Joyce, źródło: The Scripps Research Institute

Mógł działać wyłącznie w sytuacji, gdy oddziaływał na przeciwnie skręconą cząsteczkę RNA. „Zaczęliśmy myśleć, że jest to trochę dziwne,” powiedział Joyce.

Nikt nigdy nie starał się stworzyć enzymu działającego na zasadzi chiralności krzyżowej, na przeciwnie skręcone cząsteczki RNA. W nowym badaniu adiunkt T. Sczepanski zastosował technikę „ewolucji probówki” w celu odnalezienia jednego enzymu.

Rozpoczął pracę z mieszaniną około biliarda krótkich cząsteczek RNA. Ich sekwencje były przypadkowe, a wszystkie wykazywały prawoskrętną chiralność. „Postanowiliśmy, że cząsteczki mogące katalizować reakcję z łączeniem lewoskrętnej formy będą izolowane z roztworu i poddawana wzmocnieniu,” powiedział Sczepanski.

Już po 10 rundach selekcji i amplifikacji naukowcy zdobyli silnego kandydata na rybozym. Następnie rozszerzyli rozmiar jego podstawowego regionu, przeprowadzili przez kolejne 6 rund selekcyjnych i przycięli o obce nukleotydy. W rezultacie otrzymano 83-nukleotydowy rybozym, którego sekwencja była nieznacznie tylko specyficzna. Może on niezawodnie łączyć odcinki lewoskrętnego RNA – około milion razy szybciej, niż w przypadku braku enzymu.

Zespół pokazał również, że nowy rybozym może działać bez przeszkód w obecności wyłącznie jednakowo skręconych fragmentów RNA. W ostatniej próbie nowy rybozym katalizował reakcję łączenia 11 fragmentów RNA, w celu stworzenia swojej lewoskrętnej kopii. Ta z kolei była w stanie dołączać segmenty RNA o prawoskrętnej chiralności.

Naukowcy pracują teraz nad tym, by enzym mógł pośredniczyć w pełnej replikacji RNA, bez sekwencji uzależnionych. To pozwoli na przeznaczenie enzymu do działania w pierwotnej mieszaninie nukleotydów w olbrzymiej biosferze.

„Ostatecznie chcemy przeprowadzać w warunkach laboratoryjnych procesy replikacji i ewolucji, uzyskując wiedzę o ich skutkach,” stwierdził na sam koniec Joyce.

Komentarz edytorski: Wydaje mi się, że takie badania są niezwykle istotne dla rozwoju współczesnej nauki i wiedzy o życiu na Ziemi w ogóle. Od dłuższego czasu zastanawiam się dlaczego życie wybrało tylko jedną formę skręcalności. Wszystkie aminokwasy budujące białka, a co za tym idzie większość struktur występujące w organizmach żywych, posiada konfigurację L. Jest mało prawdopodobne, żeby życie powstało wyłącznie raz. W związku z tym dlaczego odrzucono konfigurację D albo dlaczego nie korzysta się z obu form skręcalności? Na razie pytania te pozostają bez odpowiedzi, chociaż zbliżamy się do rozwiązania tej zagadki. Niezwykle interesująca jest również zdolność organizmów żywych do syntezy w 100% jednego tylko enancjomeru (L). Nie udało się tego osiągnąć w żadnym laboratorium. Zrozumienie procesów, które to umożliwiają, prowadziłoby do niezwykle szybkiego rozwoju medycyny, bowiem wiele leków powinno charakteryzować się jak najwyższą czystością enancjomeryczną. Niezwykle tragicznym przykładem ignorancji w tej dziedzinie było podawanie racematu (50% R, 50% S) talidomidu kobietom w ciąży. R ma działanie lecznicze, natomiast S powoduje mutacje płodu.