Φτιάχτηκε το πρώτο τεχνητό μόριο RNA που αυτοαναπαράγεται και εξελίσσεται

Πηγή: ScienceDaily, 10 Ιανουαρίου 2009

 Ένα από τα πιο συχνά ερωτήματα για αιώνες είναι πώς μπορεί να ξεκίνησε η ζωή στη Γη. Μόρια που μπορούν να φτιάχνουν αντίγραφα του εαυτού τους θεωρούνται ότι είναι αποφασιστικής σημασίας για την κατανόηση αυτής της διαδικασίας, καθώς δίνουν τη βάση για την κληρονομικότητα, μια κρίσιμη ιδιότητα των έμβιων συστημάτων. Κάποια όμως νέα ευρήματα θα μπορούσαν να απαντήσουν στις βιοχημικές ερωτήσεις σχετικά με τον τρόπο που ξεκίνησε η ζωή.

Δύο επιστήμονες στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Scripps έκαναν ένα σημαντικό βήμα για να απαντήσουν στο ερώτημα αυτό. Οι επιστήμονες έχουν συνθέσει για πρώτη φορά ένζυμα RNA (ριβονουκλεϊνικό οξύ) και συγγενικού μορίου του DNA, που μπορούν να αναπαραχθούν χωρίς τη βοήθεια πρωτεϊνών ή άλλων κυτταρικών συστατικών, και η διαδικασία αυτή εξελίσσεται επ' αόριστον.

Πώς ξεκίνησε η ζωή; Μόρια RNA αντιγράφουν τον εαυτό τους με ακρίβεια για πρώτη φορά

Στην εποχή μας το DNA μεταφέρει τη γενετική ακολουθία των προηγμένων οργανισμών (δηλαδή τις πληροφορίες και το σχέδιο για την ανάπτυξή τους), ενώ το RNA εξαρτάται από το DNA για την άσκηση των ρόλων του, όπως για την κατασκευή των πρωτεϊνών. Αλλά μια κύρια θεωρία για την προέλευση της ζωής, το μοντέλο του RNA Κόσμου, προτείνει πως επειδή το RNA μπορεί να λειτουργήσει και ως γονίδιο και ως ένζυμο, θα μπορούσε το RNA να έχει έρθει πριν από το DNA και τις πρωτεΐνες και να λειτούργησε ως το πατρογονικό μόριο της ζωής. Ωστόσο, η διαδικασία της αντιγραφής ενός γενετικού μορίου, το οποίο θεωρείται ένα βασικό προσόν για την ύπαρξη της ζωής, φαίνεται να είναι εξαιρετικά πολύπλοκη, που εμπλέκει πολλές πρωτεΐνες και άλλα κυτταρικά συστατικά.

Για χρόνια, οι ερευνητές αμφέβαλαν για το αν υπάρχει κάποιος απλούστερος τρόπος για να αντιγραφεί το RNA. Κάποια δειλά βήματα προς αυτή την κατεύθυνση είχαν προηγουμένως γίνει τόσο από το Εργαστήριο Joyce όσο και από άλλα, αλλά κανείς δεν μπορούσε να αποδείξει ότι η αντιγραφή του RNA θα μπορούσε να είναι αυτο-πολλαπλασιαστική, δηλαδή, να οδηγήσει σε νέα αντίτυπα του RNA που θα μπορούσαν επίσης να αντιγράψουν τους εαυτούς τους.

Λίγα χρόνια μετά η Tracey Lincoln έφτασε στο Ινστιτούτο Scripps της Καλιφόρνιας από την Τζαμάικα για να ξεκινήσει τη διερεύνηση της αντιγραφής του RNA μαζί με τον βιοχημικό Gerald Joyce, πρόεδρο στο Scripps. Οι εργασίες τους ξεκίνησαν με μία μέθοδο γνωστή ως εξέλιξη in vitro. Ο στόχος τους ήταν να πάρουν ένα από τα ένζυμα RNA, που έχουν ήδη αναπτυχθεί στο εργαστήριο και που θα μπορούσε να εκτελέσει τη βασική χημεία της αναπαραγωγής, με σκοπό να το βελτιώσουν μέχρι το σημείο που θα μπορούσε αυτό να οδηγήσει αποτελεσματικά στην διαρκή αυτο-αναπαραγωγή.

Η Lincoln σύνθεσε στο εργαστήριο ένα μεγάλο πληθυσμό παραλλαγών του ενζύμου του RNA που θα έκαναν αυτή την αναπαραγωγή, και προέβη σε μια εξελικτική διαδικασία μέσα σε δοκιμαστικούς σωλήνες ώστε να πάρει αυτές τέτοιες παραλλαγές του ενζύμου, που θα ήταν πιο ειδικές για να συνδέουν μαζί τεμάχια του RNA.

Τελικά, με αυτή την διαδικασία η ομάδα απομόνωσε μια εξελιγμένη έκδοση του αρχικού ενζύμου που είναι ένας πολύ αποτελεσματικός αντιγραφέας, κάτι που πολλές ερευνητικές ομάδες, περιλαμβανομένου και του Joyce, είχαν αγωνιστεί για χρόνια να το πετύχουν. Το βελτιωμένο ένζυμα εκπληρώσει τον πρωταρχικό στόχο του να είναι σε θέση να υποβληθεί σε μια αέναη επανάληψη.

Η αναπαραγωγή του συστήματος ουσιαστικά περιλαμβάνει δύο ένζυμα, που το καθένα αποτελείται από δύο υπομονάδες και το κάθε ένα λειτουργεί ως καταλύτης που 'συναρμολογεί' το άλλο. Η διαδικασία αντιγραφής είναι κυκλική, στο ότι το πρώτο ένζυμο δεσμεύει τις δύο υποενότητες που περιλαμβάνουν το δεύτερο ένζυμο και τα ενώνει για να φτιάξουν ένα νέο αντίγραφο του δεύτερου ενζύμου. Ενώ το δεύτερο ένζυμο ομοίως δεσμεύει και ενώνει τις δύο υποενότητες που περιλαμβάνουν το πρώτο ένζυμο. Με αυτό τον τρόπο τα δύο ένζυμα συναρμολογεί το ένα το άλλο - αυτό που ονομάζεται πολλαπλή αντιγραφή. Για να προχωρήσει επ' αόριστον η διαδικασία αυτή χρειάζεται μόνο μια μικρή ποσότητα εκκίνησης των δύο ενζύμων και σταθερή προμήθεια των υπομονάδων.

"Αυτή είναι η μόνη περίπτωση εκτός της μοριακής βιολογίας, όπου η πληροφορία είναι αθάνατη", λέει ο Joyce.

Μάλιστα επειδή δεν υπάρχει κανένας περιορισμός γι αυτό και οι ερευνητές δημιούργησαν μια ποικιλία ζευγών ενζύμων με παρόμοιες δυνατότητες. Ανάμιξαν 12 διαφορετικά ζεύγη που αναπαράγονται διασταυρούμενα, μαζί με όλες τις υπομονάδες τους, και αυτό τους επέτρεψε να κάνουν μια μοριακή δοκιμή της επιβίωσης του ισχυρότερου. Τις περισσότερες φορές η αναπαραγωγή των ενζύμων ταιριάζει σωστά, αλλά εξ αιτίας ενός ενζύμου μπορεί να γίνει λάθος σε μία από τις υπομονάδες. Όταν βέβαια συμβούν αυτές οι "μεταλλάξεις", το αντίστοιχο ανασυνδυασμένο ένζυμα επίσης ήταν ικανό για μια βιώσιμη αντιγραφή, με τους πιο κατάλληλους αντιγραφείς να αυξάνονται και να κυριαρχούν το μείγμα. "Για μένα είναι πράγματι το μεγαλύτερο αποτέλεσμα," λέει ο Joyce.

Η έρευνα δείχνει ότι στο σύστημα μπορεί να διατηρηθεί η μοριακή πληροφορίες, μια μορφή κληρονομικότητας, που δίνει έτσι λαβή σε διακυμάνσεις του ίδιου του συστήματος με ένα τρόπο που μοιάζει με τη δαρβίνεια εξέλιξη. "Αυτό που έχουμε δεν είναι ζωντανό, αλλά είμαστε σε θέση να αποδείξουμε ότι έχει κάποιες ιδιότητες που μοιάζουν με τη ζωή, και αυτό φυσικά είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον", λέει η Tracey Lincoln.

Η ερευνητική ομάδα επιδιώκει δυναμικές εφαρμογές της ανακάλυψης τους στον τομέα της μοριακής διαγνωστικής, αλλά το έργο αυτό συνδέεται με μία ερευνητική δημοσίευση που ακόμα εξετάζεται, και γι αυτό και οι ερευνητές δεν μπορούν ακόμη να το συζητήσουν.

Αλλά η κύρια αξία του έργου, σύμφωνα με τον Joyce, είναι στο επίπεδο της βασικής έρευνας. "Αυτό που βρήκαμε θα μπορούσε να είναι σχετικό με τον τρόπο που ξεκίνησε η ζωή, κατά την κρίσιμη στιγμή, όταν ξεκινά η δαρβίνεια εξέλιξη." Αυτός βέβαια επισημαίνει ότι, ενώ τα αυτο-αναπαραγόμενα συστήματα ενζύμων του RNA μοιράζονται ορισμένα χαρακτηριστικά της ζωής, δεν είναι από μόνα τους μια μορφή της ζωής.

Τέλος, αλλά όχι λιγότερο σημαντικό, οι προσπάθειες δημιουργίας ζωής στο εργαστήριο θα σκοντάψουν αναγκαστικά σε ένα φιλοσοφικό και όχι τεχνικό εμπόδιο: Ακόμα και αν κάποτε προκύψει κανονική ζωή στο εργαστήριο, αυτό δεν σημαίνει ότι θα έχει λυθεί και το αίνιγμα της δημιουργίας ζωής στη Γη, καθώς ποτέ οι επιστήμονες δεν θα μπορέσουν να είναι βέβαιοι τι ακριβώς συνέβη πριν 4 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια στον πλανήτη μας – αλλά και πέρα από αυτόν. Γι΄ αυτό, θα χρειαζόταν μια μηχανή του χρόνου – έργο μάλλον κάποιου μεγαλοφυούς φυσικού και όχι βιολόγου.

Γι αυτό κι ένας ερευνητής θα πρέπει αντίθετα να αντιμετωπίσει το ζήτημα του κατά πόσον η ζωή θα μπορούσε ποτέ να δημιουργηθεί σε ένα εργαστήριο. Έτσι θα μπορούσε να χυθεί φως με τι έμοιαζε η αρχή της ζωής, τουλάχιστον σε γενικές γραμμές. "Δεν προσπαθούμε να αναπαραστήσουμε την ταινία της ζωής," τονίζει η Lincoln, "αλλά θα μπορούσαμε να μάθουμε κάποια πράγματα με την διαδικασία της κατανόησης της εμφάνισης της ζωής στο εργαστήριο. Η αναπαραγωγή ίσως είναι η ισχυρότερη βιολογική διαδικασία, όμως ακόμα και οι απλούστεροι οργανισμοί στον πλανήτη επιδεικνύουν σαφώς πιο πολύπλοκες λειτουργίες".

Επιπλέον, ένα εργαστηριακό μόριο που μιμείται πραγματικά τη ζωή, θα πρέπει να αυτοσυναρμολογείται από ακόμα απλούστερα συστατικά και όχι απλώς από δύο μισά τμήματα RNA, που ήδη περιέχουν πολύπλοκα νουεκλοτίδια, όπως το μόριο του Joyce.

Ο Joyce λέει ότι μόνο όταν ένα σύστημα ανεπτυγμένο στο εργαστήριο, που έχει την ικανότητα να εξελίξει νέες ιδιότητες πάνω στις δικές του μπορεί να ονομάζεται ζωή. "Χτυπούμε αυτή την πόρτα", λέει, "Αλλά, φυσικά, δεν το έχουμε πετύχει."

Η εργασία αυτή, τέλος, δείχνει ότι είναι τουλάχιστον δυνατή μια απλούστερη μορφή ζωής βασισμένη στο RNA, γι αυτό και θα πρέπει να συνεχιστεί η έρευνα ώστε να διερευνηθεί η θεωρία της καταγωγής της ζωής από το RNA.

Η εργασία τους δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Science.