הניסיון להסביר כיצד DNA ו-RNA התפתחו ליצירת ספירלות מסודרות כאלה היו חידה ידועה לשמצה במדע. אבל מחקר חדש מציע שהסיבוב התרחש בקלות לפני מיליארדי שנים, כאשר אבותיו הכימיים של RNA הסתובבו כלאחר יד לגדילים ספירליים.
במעבדה, חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה הופתעו לראות אותם עושים זאת בתנאים שנחשבים נפוצים בכדור הארץ רגע לפני שהחיים הראשונים התפתחו: במים רגילים, ללא זרזים, ובטמפרטורת החדר.
הספירלה המסודרת שילבה בצורה אלגנטית גם תרכובת נוספת אשר היום מהווה את עמוד השדרה של RNA ו-DNA. למבנה שהתקבל היו תכונות שדומות מאוד ל-RNA.
פיתולים מרכזיים
המחקר התקרב צעד נוסף לתשובה לשאלה של ביצת תרנגולת על הנתיב האבולוציוני שהוביל ל-RNA (שממנו התפתח DNA מאוחר יותר): האם הספירלה הגיעה קודם, והאם המבנה הזה השפיע על הרכיבים המולקולריים שנוצרו זה מאוחר יותר ל-RNA כי הם משתלבים היטב בספירלה?
"ללוליינות הייתה יכולה להיות השפעה מחזקת. היא הייתה יכולה להקל על חיבור מולקולות בעלות אותה כיראליות (עקומה) כדי להתחבר לעמוד שדרה משותף התואם את הפיתול הסליל", אמר המחקר החוקר הראשי ניקולס האד, פרופסור יורש עצר בבית הספר לכימיה וביוכימיה של ג'ורג'יה טק.
החוקרים פרסמו את המחקר החדש בכתב העת Angewandte Chemie בדצמבר 2018. המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע ותוכנית האסטרוביולוגיה של נאס"א במסגרת המרכז לאבולוציה כימית. מטה המרכז נמצא ב- Georgia Tech, והאד הוא החוקר הראשי שלו.
הפולימרים שהתקבלו מהמחקר לא היו RNA, אבל יכלו להיות שלב ביניים חשוב באבולוציה המוקדמת של RNA. עבור אבני בניין, החוקרים השתמשו במולקולות בסיס המכונות "פרוטו-נוקלאובאזות", החשודות מאוד כמבשרות של נוקלאובסיסים, מרכיבים עיקריים המובילים קוד גנטי ב-RNA של היום.
פרדוקס הגרעין
המחקר היה צריך לעקוף פרדוקס באבולוציה כימית:
הכנת RNA או DNA תוך שימוש בבסיסי הנוקלאובאס האמיתיים שלהם במעבדה ללא סיוע של אנזימים של תאים חיים שבדרך כלל עושים את העבודה הזו היא יותר ממשימה הרקולאית. לפיכך, למרות ש-RNA ו-DNA נמצאים בכל מקום על פני כדור הארץ כעת, נראה שההתפתחות שלהם על כדור הארץ שלפני החיים הייתה חריגה הדורשת התכנסות לא יציבה של תנאים קיצוניים.
לעומת זאת, המודל של חוקרי הטכנולוגיה של ג'ורג'יה לאבולוציה כימית גורס שבסיסי נוקלאובס מבשר הרכיבו את עצמם בקלות לאבות טיפוס אבותיים - שהיו דמויי פולימרים וכונו מכלולים - שהתפתחו מאוחר יותר ל-RNA.
"היינו קוראים לזה 'פרוטו-נוקלאובסיסים' או 'נוקלאובסיסים אבותיים'", אמר הוד. "עבור המודל הכולל שלנו של אבולוציה כימית, אנו אומרים שהפרוטו-נוקלאובסים האלה, שמתגבשים בעצמם לגדילים הארוכים האלה, יכלו להיות חלק משלב מוקדם מאוד לפני ששולבו גרעיני נוקלאובסים מודרניים."
פרוטו-נוקלאובז עיקרי שנחשד בניסוי זה - ובניסויים קודמים על התפתחות אפשרית של RNA - היה triaminopyrimidine (TAP). חומצה ציאנורית (CA) הייתה אחרת. החוקרים חושדים מאוד ב-TAP ו-CA היו חלקים של פרוטו-RNA.
הקשרים הכימיים שמחזיקים יחד את המכלולים של שני הפרוטו-נוקלאובסים החשודים היו חזקים באופן מפתיע אך לא קוולנטיים, מה שדומה לחיבור שני מגנטים. ב-RNA הקשרים העיקריים שמחזיקים יחדיו את הבסיסים הנוקלאובאסים המודרניים הם קשרים קוולנטיים, הדומים לריתוך, ואנזימים יוצרים את הקשרים הללו בתאים כיום.
הטיות סליליות
סליל יכול להתגלגל בשני כיוונים, ביד שמאל או ביד ימין. בכימיה, ניתן גם להעביר מולקולה, או כיראלית, ליצור צורות "L" או "D" של המולקולה.
אגב, אבני הבניין של ה-RNA וה-DNA של היום הם כולם צורת D, שיוצרים סליל ימני. מדוע הם התפתחו כך היא עדיין בגדר תעלומה.
קבוצות של TAP ו-CA החוקרים התחילו עם כמות שווה בערך של סלילים ימין ושמאל, אבל משהו בלט: אזורים שלמים של אצווה היו מוטים בכיוון אחד והיו נפרדים מאזורים אחרים שהסתחררו. בעיקר לכיוון השני.
"הנטייה של המולקולות לבחור כיוון סליל אחד הייתה כל כך חזקה, עד שאזורים גדולים של הקבוצות היו מורכבות בעיקר ממכלולים שהיו מעוותים באופן חד-כיווני", אמר הוד.
זה היה מפתיע מכיוון שלמולקולות הבודדות של TAP ו-CA לא הייתה כיראליות משלהן, לא L ולא D. ובכל זאת, לפיתולים היה כיוון מועדף.
'שיא עולמי'
החוקרים הוסיפו שני ניסויים נוספים כדי לבדוק באיזו חזקה המכלולים דמויי ה-RNA שלהם מעדיפים ליצור סלילים ביד אחת.
ראשית, הם הציגו חלק של תרכובות הדומות ל-TAP ו-CA, אך היו להן כיראליות L או D, כדי לדחוף את כיוון הספירלה. האצווה כולה התאימה לכיראליות של התוסף המתאים, וכתוצאה מכך הרכבות מתפתלות בכיוון מאוחד כפי שעושים סלילים ב-RNA ו-DNA כיום.
"זה היה שיא העולם החדש עבור הכמות הקטנה ביותר של חומר דום כירלי (תוסף) שיהפוך פתרון שלם", אמר Suneesh Karunakaran, המחבר הראשון של המחקר וחוקר בוגר במעבדה של Hud. "זה הוכיח כמה קל יהיה בטבע להשיג כמויות בשפע של סלילים מאוחדים."
שנית, הם שמו את תרכובת הסוכר ריבוז-5-פוספט יחד עם TAP כדי לחקות יותר את אבני הבניין הנוכחיות של RNA. הריבוז נפל למקומו, והמכלול שנוצר התגלגל בכיוון שהוכתב על ידי כיראליות הריבוז.
"המולקולה הזו יצרה בקלות מכלול דמוי RNA שהיה יציב באופן מפתיע, למרות שהחלקים הוחזקו רק על ידי קשרים לא קוולנטיים", אמר Karunakaran.
מהפכת האבולוציה
תוצאות המחקר בתנאים כה פשוטים מייצגות קפיצת מדרגה בראיות ניסיוניות לאופן שבו הפיתול הסליל של ביומולקולות כבר יכול היה להיות במקום הרבה לפני שהחיים צצו.
המחקר גם מרחיב כמות הולכת וגדלה של ראיות התומכות בהשערה לא שגרתית של המרכז לאבולוציה כימית, הפוטרת את הצורך בנרטיב לפיו אסון נדיר ומרכיבים לא סבירים היו נחוצים כדי לייצר את אבני הבניין המוקדמות של החיים.
במקום זאת, סביר להניח שרוב הביו-מולקולות התעוררו במספר שלבים הדרגתיים, על משטחי עפר שקטים וסוחפים בגשם או על סלעים על שפת האגם שחופפים בגלים. מולקולות מבשר עם התגובתיות הנכונה אפשרו את השלבים הללו בקלות וייצרו חומרים בשפע לצעדים אבולוציוניים נוספים.
מהנדס מרתף
במעבדה, הרכבה עצמית של הליקס הייתה כל כך פרודוקטיבית עד שהוא עלה על היכולת של מכשיר זיהוי לבחון את הפלט. אזורים בגודל מילימטר מרובע או יותר היו עמוסים במכלולים דמויי פולימר בעלי ספירלה חד-כיוונית.
"כדי להסתכל עליהם הייתי צריך לבצע התאמות בציוד," אמר Karunakaran. "ניקבתי חורים בנייר כסף והנחתי אותו מול הקרן של הספקטרופולרימטר שלנו."
זה עבד אבל היה צריך שיפור, אז הוד פנה למרתף שלו בבית כדי לבנות סורק אוטומטי שיוכל להתמודד עם תוצאות הניסוי הרבות. הוא חשף אזורים גדולים של סלילים באותה יד.
