Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Koncepcja taka pojawiła się w nauce w latach 60. ubiegłego wieku, a jej atrakcyjność wynika głównie ze specyficznych zależności zachodzących na poziomie genetyki molekularnej między RNA, DNA i białkami. 

W DNA, w cząsteczkach kwasu deoksyrybonukleinowego, zapisana jest informacja genetyczna. Problem polega na tym, że duplikacja DNA nigdy nie zachodzi samoistnie, wymaga natomiast działania wielu enzymów – ich rolę wypełniają białka, tworzące również cząsteczki DNA, ale nie potrafiące powielać same siebie. Aby wzrastać i namnażać się, wszystkie nowoczesne komórki potrzebują nie tylko DNA i białek, ale także trzeciego niezbędnego elementu tej układanki: RNA, czyli kwasu rybonukleinowego. DNA, przy udziale enzymów, jest najpierw kopiowane na nici RNA i to RNA jest matrycą, na której syntezują się białka. Co ciekawe, kwasy rybonukleinowe posiadają zdolności, które charakteryzują dwa pozostałe składniki najbardziej podstawowych procesów komórkowych – RNA także może być nośnikiem informacji genetycznej (tak jest na przykład u retrowirusów, którym jest m.in. wirus HIV), posiada ponadto pewne zdolności katalityczne. Co prawda są znacznie słabsze niż w przypadku białek, a w kopiowanie RNA występuje o wiele więcej błędów niż w kopiowaniu DNA, jednak może być tak, że jest to „pozostałość” po czasach, kiedy istniało tylko RNA, było jedyną cząsteczką, która posiadała umiejętność zarówno samo powielania, jak i katalizy, a DNA i białka są ewolucyjnie wtórne wobec kwasu rybonukleinowego. Hipotetyczną fazę rozwoju życia, w której RNA było zarówno nośnikiem genów, jak i pełniło rolę enzymów, nazywa się światem RNA.

– Znalezienie więc swoistego autopowielacza RNA, odpowiadającej za procesy genetyczne i biochemiczne, jestem głównym celem i tematem wysuwanych hipotez wśród naukowców zajmujących się badaniem pochodzenia życia – mówi prof. Gerald Joyce, chemik z Scripps Research Institute z San Diego w stanie Kalifornia, główny bohater wspomnianych na początku badań.  Współczesne komórki zamiast autopowielacza posiadają enzym na bazie białka nazywany polimerazą RNA (RNAP), który kopiuje nici DNA w jego odpowiedniki RNA. W roku 1993 pracujący na Harwardzie zespół naukowców prowadzony przez prof. Jacka Szostaka, amerykańskiego genetyka polskiego pochodzenia, wytworzył rybozym RNAP – jedną z wersji RNAP – który łączył dwa małe kawałki RNA na matrycowej nici RNA. Od tamtego czasu zespół Szostaka i inni kontynuowali prace nad udoskonaleniem powielacza RNA. Dwa lata temu na przykład naukowcy z Wielkiej Brytanii wyizolowali rybozym RNAP zdolny połączyć w RNA do 200 nukleotydów podczas dopasowywania ich do nici matrycowej.

Rybozymy RNAP są jednak problematyczne, ponieważ – jak to ujął prof. Joyce – są wybredne. Mogą kopiować tylko niektóre z sekwencji nukleotydów (cegiełek tworzących RNA oraz DNA), a sekwencje te nie odpowiadają za żadne ważne procesy wewnątrzkomórkowe. Dlatego też prof. Joyce oraz jego współpracownik dr David Horning podjęli próbę wymyślenia bardziej wszechstronnego rybozymu RNAP, wykorzystując do tego celu technologię znaną jako ewolucja in vitro.

Joyce i Horning rozpoczęli od syntezowania ogromnej biblioteki nici DNA przeznaczonych do kodowania startowego rybozymu RNAP, mutowali jednak sekwencje DNA losowo w ten sposób, aby mieć pewność, że wszystkie finalne wersje RNAP będą odmienne. Następnie różne wersje RNAP dodawali do fiolki zawierającej małe fragmenty RNA, aby połączyć je razem na innej matrycy RNA. Każdy rybozym RNAP, który utworzył nową syntetyczną nić RNA, został tak zaprojektowany, aby pozostać z nią spętany, dzięki czemu naukowcy mogli wyizolować wszystkie udane próby. Każdy zidentyfikowany rybozym RNAP został uznany za punkt wyjścia kolejnych przemian ewolucyjnych. 

Po 24 rundach tych zachodzących w probówce przemian, w trakcie których naukowcy systematycznie podnosili wymagania względem tego, co dla danego rybozymu oznawano na skuteczne działanie, Joyce i Horning wyodrębnili jeden, który określili jako polimeraza 24-3. Ta nić RNA posiada zdolność kopiowania prawie każdego innego typu RNA, od mały katalizatorów do długich opartych na łańcuchach RNA enzymów. Polimeraza 24-3 może również utworzyć kopie RNA skopiowanych już wcześniej, dzięki czemu podstawowych nici RNA może być nawet 10 tysięcy razy. Paradoksalnie, nowy powielacz RNA nie może powielić… samego siebie.

– To bardzo znaczący krok na drodze do pełnego opracowania modelu pierwotnego RNA w początkach życia przed 4 miliardami lat – mówi prof. Steven Brenner, zajmujący się kwestiami chemicznymi w obrębie biogenezy, pracujący obecnie w Foundation for Applied Molecular Evolution w mieście Alachua na Florydzie, Prof. Brenner dodaje, że nauka jest jeszcze bardzo daleko od potwierdzenia istnienia świata RNA. Zdolności kopiowania nie posiadają przecież jedynie struktury polimerazy 24-3, a Brenner zwraca ponadto uwagę na fakt, że całej społeczności chemików wyposażonej we wszystkie narzędzia nowoczesnej biochemii znalezienie powielacza RNA efektywnego w kopiowaniu innych typów RNA zajęło 25 lat. – To oznacza, że wciąż pomijamy coś bardzo istotnego – podsumowuje prof. Brenner.

Gerald Joyce zgadza się i dodaje, że nawet jeśli świat RNA poprzedzał pojawienie się DNA oraz białek, jego samego mogły poprzedzać jakieś wcześniejsze formy biochemiczne. Prof. Joyce powiedział, że z dr Horningiem wciąż pracują nad dalszym udoskonaleniem polimerazy 24-3 w nadziei na odkryciem takiej wersji, która byłaby zdolna kopiować sama siebie. Gdyby poszukiwania te zakończyły się sukcesem, owa molekuła mogłaby stać się podstawą dla pierwszych syntetycznych komórek, które używałyby RNA jako jedynego magazynu informacji genetycznej.

Na podstawie artykułu „A newly made RNA strand bolsters ideas about how life on Earth began” opublikowanego na portal Science