Το πρώτο γενετικό υλικό

 

Ποιο ήταν το πρώτο γενετικό υλικό;   Στους σημερινούς οργανισμούς είναι τα νουκλεινικά οξέα (DNA και RNA).   Οι γενετικές πληροφορίες στα ευκαρυωτικά κύτταρα όπως είναι του ανθρώπου είναι αποθηκευμένες στο DNA που βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου. Αλλά για να αντιγραφεί το DNA απαιτούνται τα ένζυμα που είναι πρωτεΐνες.  Αλλά οι πρωτεΐνες για να φτιαχτούν χρειάζεται το DNA.   Ποιό δημιουργήθηκε πρώτο; το DNA ή η πρωτεΐνες; Και πως;  Το γνωστό πρόβλημα: ποιό έγινε πρώτο; η κότα ή το αυγό;

DSC_0016               images

Στα τέλη της δεκαετίας του 1960 ο Carl Woese, ο Francis Crick και ο Leslie Orgel, σε μια προσπάθεια να εξηγήσουν την προέλευση της ζωής, είχαν προβλέψει θεωρητικά,  ανεξάρτητα ο καθένας, ότι το RNA θα μπορούσε να είχε προηγηθεί του DNA και μίλησαν για τον “RNA κόσμο”– έναν κόσμο στον οποίο το RNA κατέλυε όλες τις αντιδράσεις που ήταν αναγκαίες για την επιβίωση και αντιγραφή των οντοτήτων που υπήρχαν την εποχή εκείνη.  Επίσης διατύπωσαν την άποψη ότι το RNA θα μπορούσε να αναπτύξει μεταγενέστερα την ικανότητα να ενώνει αμινοξέα σε πρωτεΐνες.  Αυτό το σενάριο θα μπορούσε να είχε συμβεί, σημείωναν, αν το προβιοτικό RNA είχε δύο ιδιότητες που δεν είναι εμφανείς σήμερα: την ικανότητα της αντιγραφής χωρίς τη βοήθεια των πρωτεϊνών και την ικανότητα να καταλύει κάθε βήμα της πρωτεϊνικής σύνθεσης.  Προτίμησαν το RNA έναντι του DNA ως το μόριο από το οποίο κατάγεται το γενετικό σύστημα επειδή τα ριβονουκλεοτίδια του RNA συνθέτονται ευκολότερα από τα δεοξυριβονουκλεοτίδια του DNA. Επίσης γιατί μπορούσαν να φανταστούν τρό­πους που το DNA θα μπορούσε να εξελιχθεί από το RNA και κατόπιν, ως πιο σταθερό μόριο να το εκτοπίσει από έδρα της κληρονομικό­τη­τας.

 Δεκαπέντε χρόνια αργότερα από τη στιγμή που προτάθηκε η RNA κατάλυση, από τα εργαστήρια του Thomas Cech από το πανεπιστήμιο του Colorado και του Sydney Altman από το πανεπιστήμιο του Yale, ανακαλύφθηκε ότι RNA μόρια είχαν καταλυτικές ιδιότητες (έλαβαν το βραβείο Nobel για τις εργασίες αυτές). Τα μόρια αυτά ονο­μάζονται πλέον ριβόζυμα, για να τα αντιδιαστείλουν από τα ένζυμα που είναι πρωτεΐ­νες.  Βέβαια, τα πρώτα ριβόζυμα που ανακαλύφθηκαν δεν έκαναν τίποτε περισσότερο από το να κόβουν και να ενώνουν προϋπάρχοντα RNA, αλλά όμως θεωρήθηκε δυνατό, ότι θα μπορούσε να υπάρξει ένα RNA μόριο που θα περιείχε και τις γενετικές πληροφορίες και θα κατέλυε τη σύνθεση RNA αλυσίδων. Ο γρίφος της κότας ή του αυγού φαινόταν να λύνεται.

To 1986, o Walter Gilbert, χημικός του πανεπιστημίου Harvard, επινόησε τον όρο «κόσμος του RNA» για να καθορίσει ένα υποθετικό στάδιο της εξέλιξης της ζωής στο οποίο «τα μόρια και οι συμπαράγοντες του RNA ήταν ένα επαρκές σύνολο ενζύμων που επιτελούσε τις χημικές αντιδράσεις, τις αναγκαίες για τις πρώτες κυτταρικές δομές». Σήμερα αποτελεί πλέον ένα είδος δόγματος, ότι η εξέλιξη της ζωής περικλείει μια φάση όπου το RNA ήταν το κυρίαρχο βιολογικό μακρομόριο.

Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, το RNA κατέλυε τις αντιδράσεις που απαιτούνταν για τη ζωή με τη βοήθεια των μετάλλων, πυριμιδινών, αμινοξέων και άλλων μικρών μορίων ως συμπαραγόντων.   Στη συνέχεια ο μεταβολισμός έγινε περισσό­τερο πολύπλο­κος.  Το DNA βαθμιαία αντικατέστησε το RNA ως γενε­τικό πολυμερές και οι πρωτεΐνες αντικατέστησαν το RNA ως κυρίαρχοι βιοκαταλύτες.  Η μετατροπή στην πρωτεϊνο-κατάλυση δεν έγινε πλήρης. Το RNA εξακολουθεί να έχει ένα κεντρικό ρόλο στην πρωτεϊνική σύνθεση.  Υπολείμματα των αρχέγονων ριβόζυμων πιθανόν να παραμένουν, ως νουκλεοτίδια σαν συστατικά πολλών συμπαραγόντων.

Υπάρχουν λοιπόν αρκετοί λόγοι για να σκεπτόμαστε ότι ο “RNA κόσμος” υπήρχε, και ότι το RNA βοήθησε στη σύνθεση των πρωτεϊνών.  Εάν το συμπέρασμα είναι σωστό, το κύριο μέλημα της έρευνας για την προέλευση της ζωής είναι να εξηγήσει πώς ήλθε στο προσκήνιο ο κόσμος του RNA.

Πώς δημιουργήθηκε το RNA;

Το ερώτημα όμως είναι το πως δημιουργήθηκε το RNA.   Κι επειδή έχει αποδειχτεί ότι είναι απίθανο να δημιουργήθηκε μόνο του, από τη συνένωση των συστατικών που αποτελούν ένα μονομερές (ριβόζη, φωσφορικά, πουρίνες και πυριμιδίνες) και στη συνέχεια με πολυμερισμό να σχηματίστηκε το RNA (που θεωρείται επίσης δύσκολο), η έρευνα προσανατολίζεται στο να βρεί το μόριο ή τα μόρια που οδήγησαν στην δημιουργία του RNA κόσμου.  Επίσης να ανακαλύψει τις αντιδράσεις που ήταν κυρίαρχες στον κόσμο αυτόν και στη συνέχεια στον δικό μας κόσμο που κυριαρχεί το DNA.

Η υπόθεση ότι το γενετικό υλικό είναι ένα πολυμερές, αναγκαία μας οδηγεί στην αναζήτηση του μονομερούς που προηγήθηκε. Έχουν προταθεί διάφορα μόρια (πολυμερή) όπως το PNA, TNA. Όλα αυτά όμως ξεφεύγουν από ένα γενικό μη εξειδικευμένο άρθρο.

Θα μπορούσε να προταθεί η εξής υπόθεση.  Τα πρώτα ενεργά μονονουκλεοτί­δια σχηματίζουν ολιγομερή με τη βοήθεια αργιλικού ή άλλου παρόμοιου ορυκτού.

Υπάρχει ένα βιβλίο που έχει μεταφραστεί και στα Ελληνικά του Alexander Graham Cairns-Smith.  Αποτελεί παράδειγμα επιστημονικής εκλαΐκευσης για το θέμα της δημιουργίας της ζωής.  Προτείνει κρυστάλλους αργίλου ως “πρώτο γενετικό υλικό”, πράγμα όμως που δύσκολα να ελεγχθεί στο εργαστήριο.  Το συστήνω πάντως σε όσους ενδιαφέρονται.  Διαβάζεται ευχάριστα.

9789607023209

 Θα ήθελα να σημειώσω ότι ο A.G. Cairns-Smith είναι ένας πολύ ενδιαφέρων επιστήμονας. Σε ένα μετέπειτα βιβλίο του για τον εγκέφαλο και τη συνείδηση το βιβλίο που εξέδωσε είχε πολύ μεγάλη επιτυχία.

 Ο Cairns-Smith το 1982, πολύ πριν αυτή η επιχειρηματολογία γίνει δημο­φιλής, υπογράμμιζε το πόσο απίθανο είναι ένα μόριο τόσο τέλειο σαν το RNA να μπορεί να εμφανιστεί de novo στην αρχέγονη Γη. Έκανε μια πολύ ριζοσπαστική πρόταση,  ότι η πρώτη μορφή ζωής δεν ήταν βασισμένη  σε οργανικό πολυμερές, αλλά μάλλον  ήταν ένας αυτοαντιγραφόμενος πηλός. Η πληροφορία θα μπορούσε να αντιστοιχεί στην κατανομή των φορτίων ή των σχημάτων της επιφάνειας του πηλού, και η αντι­γραφή θα μπορούσε να περικλείει το αντίγραφο της πληροφο­ρίας στο νεοσχηματι­ζόμενο στρώμα πηλού. Προτάσεις αυτού του είδους προκα­λούν τους χημικούς να σκεφτούν ευρύτερα για τη φύση της κληρονομήσιμης χημικής πληροφορίας και να επινοήσουν πειράματα ώστε να ελέγχουν τέτοιες ιδέες.

Ο Cairns-Smith πρότεινε ότι η σύνθεση οργανικών μορίων έγινε μέρος της αντα­γωνιστικής στρατηγικής του κόσμου του πηλού και των ανόργανων γονιδιωμάτων που τέλειωσε με τη δημιουργία των οργανικών δημιουργημάτων. Η υπόθεση του Cairns-Smith για μια ανόργανη ζωή απέτυχε να τύχει πειραματικής υποστήριξης.  Η ιδέα πα­ρα­μένει λανθάνουσα, καθώς δεν έχει ερευνηθεί.  Ο Cairns-Smith προτείνει επίσης την πιθανότητα ότι πριν το  RNA προηγήθηκαν ένα ή περισσότερα γραμμικά οργανικά γονιδιώματα.

Τα παραπάνω δείχνουν ότι υπάρχει ένα μεγάλο χάσμα μεταξύ της πολυπλοκό­τη­τας των μορίων τα οποία εύκολα συντίθενται σε πειράματα προσομοίωσης και των μορίων που είναι γνωστά ότι σχηματίζουν πιθανές δομές που μπορούν να αντιγραφούν και να αποθη­κεύουν πληροφορίες.  Έτσι αρκετοί ερευνητές πρότειναν ότι ο μεταβολι­σμός ήρθε πριν από τα γενετικά αυτά μόρια και προτείνουν  ότι μπορεί να υπάρ­ξει μια αξιόλογη οργάνωση μιας σειράς χημικών αντιδράσεων απουσία γενετικού πο­λυ­μερούς.  Επομέ­νως το πρώτο γενετικό πολυμερές εμφανίστη­κε σε ένα ήδη ιδιαίτερο βιοχημικό περι­βάλ­λον.