RAPORT

Tusk kontra Tusk

Świat RNA wyłania się z mroku

Uczeni niemieccy chyba mają pomysł (fot. Shutterstock/Cryptographer)
Uczeni niemieccy chyba mają pomysł (fot. Shutterstock/Cryptographer)

Co było pierwsze: jajo czy kura? Jak można zrobić białko bez struktur zawierających białka, jakimi są rybosomy? Uczeni niemieccy chyba mają pomysł.

Zbrodnia przeciwko nauce

Jeden z największych na świecie narodowych banków zasobów genomowych, ten im. V.Ya. Jurieva Narodowej Akademii Nauk Rolniczych Ukrainy z siedzibą w...

zobacz więcej

Choć DNA nazywa się dziś księgą życia, jest jasne, że na początku było jedno-dwa słowa, a nie od razu cała książka. A tak już jesteśmy skonstruowani jako istoty rozumne, że nic nas tak nie interesuje, jak początek nas samych. Dlatego z różnymi bardzo wymyślnymi aparatami, jak np. Teleskop Webba, sięgamy gwiazd i poza nie, by zrozumieć tę pierwszą sekundę po Wielkim Wybuchu. Gdy jednak minęło 10 mld lat od tajemniczego momentu, od którego według najszerzej akceptowanej naukowej teorii zaczął się Wszechświat, na jednej z małych planet należącej do niewielkiego układu jednej niedużej gwiazdy na peryferiach jednej z milionów galaktyk zaczęło powstawać życie. Ten moment interesuje nas nawet bardziej, czyż nie?

Wracając do jednego-dwóch słów, od których wszystko się zaczęło, od ćwierćwiecza króluje tu już niepodzielnie teoria o istnieniu na początku tzw. świata RNA. Dlaczego mniejszy, wrażliwszy na wszelkie czynniki środowiska i w dzisiejszym świecie istniejący wyłącznie dzięki matrycy DNA „jednoniciowy kuzyn” miałby być w istocie starszym bratem DNA? Gdyż potrafi coś niebywałego.

Jest nie tylko zapisem informacji genetycznej, ale i enzymem – katalizuje reakcje chemiczne. Wprawdzie nieliczne i skupione na nim samym, ale jednak. Enzymami zaś w naszym najpiękniejszym ze światów, od każdej żywej komórki po proszki do prania, są zazwyczaj peptydy i białka.

Tajemnicza żółtaczka dzieci. Co dziesiąte potrzebuje przeszczepu

25 kwietnia Światowa Organizacja Zdrowia poinformowała, że ​​bada epidemię ostrego zapalenia wątroby wśród dzieci, która obejmuje 11 krajów, w tym...

zobacz więcej

Pojawia się tu paradoks jaja i kury, bo RNA koduje białka, a białka są niezbędne, aby powstawało RNA (do dziś nikomu się nie udało zbudować RNA w probówce bez białek katalitycznych, choć udało się zaobserwować ewolucję cząsteczek RNA w takich warunkach. W dodatku żadne białka nie powstaną dziś w komórce inaczej niż dzięki strukturom zwanym rybosomami, które składają się z działających katalitycznie… tak: RNA i białek. Rzecz wydaje nie do rozwikłania. Do teraz.

Na łamach „Nature” ukazała się w tych dniach publikacja chemików z Ludwig-Maximilians-Universität w Monachium kierowanych przez Thomasa Carella. Opisuje ona, jak to chyba było 4-4,5 mld lat temu albo przynajmniej jak mogło być, bo to wszystko przypomina raczej proces poszlakowy. Eksperymenty odbywają się bowiem w probówkach współczesnych laboratoriów, a nie na stygnącej planecie bombardowanej przez meteoryty wypełnione kryształami zamarzniętej wody i stygnącej, na której pioruny bija gęsto i nieustannie, radiacji słonecznej nie zatrzymuje zaś żadna ozonosfera.

Kroplówka dla ukraińskiej nauki

Słyszy się w koło niezłą w sumie radę – aby w obliczu rosyjskiej agresji na Ukrainę pomagać z głową. Są domeny życia, w których można, a nawet...

zobacz więcej

Niemieccy naukowcy wykazali w laboratorium, że cząsteczki RNA mogą same wyhodować krótkie białka zwane peptydami — nie jest do tego wymagany rybosom. Co więcej, ta chemia działa w warunkach, które prawdopodobnie występowały na wczesnej Ziemi.

Jak to zgrabnie ujął prof. Carell: „W tej chwili rybosom po prostu przestał spadać z nieba”. Czyli jeśli mamy stosowne cząsteczki RNA i aminokwasy, to te ostatnie bez udziału rybosomów da się połączyć wiązaniami peptydowymi.

Tu warto dodać, że od co najmniej dwóch dekad jest jasne, iż w rybosomie można wytrawić ponad połowę budujących go białek i taki konstrukt – dzięki trójwymiarowej architekturze tworzącego go RNA – nadal będzie działał. Mniej wydajnie, ale będzie.

Monachijskie laboratorium pracuje nad zagadnieniem od lat. W 2018 r. Carell i jego koledzy próbowali zrozumieć, w jaki sposób cztery „kanoniczne” zasady RNA mogły powstać z prostszych cząsteczek. We współczesnych komórkach te zasady RNA – guanina, uracyl, adenina i cytozyna – tworzą litery genetyczne w informacyjnym RNA (mRNA), które rybosomy odczytują i tłumaczą na białka. Jednak we współczesnych komórkach wszechobecne są również inne „niekanoniczne” zasady RNA, pełniące różne role.

Obejmują one stabilizację wiązania między kanonicznymi RNA i „transferowymi RNA”, które pomagają rybosomom przekształcić kod genetyczny zapisany w mRNA w białka.

Bliźnięta, geny i środowisko

Wszystko zaczęło się w 1979 r. w Minnesocie, gdzie na uniwersytecie stanowym psycholog T.J. Bouchard zaczął badać bliźnięta rozdzielone po...

zobacz więcej

Niektóre z tych niekanonicznych RNA mogły zostać zsyntetyzowane z prostych cząsteczek na wczesnej Ziemi. Pozostaje pytanie, czy mogą się one wiązać z aminokwasami, co zwiększa prawdopodobieństwo, że mogą również łączyć je ze sobą w peptydy, a nawet większe białka. Odpowiedzi podjął się zespół badawczy z Monachium i ustalił, że może to zrobić para niekanonicznych zasad RNA.

Zaczęli od dwóch nici RNA, tzw. komplementarnych, gdzie, gdyby doszło do ich połączenia, naprzeciw siebie stałyby zasady RNA zdolne łączyć się ze sobą w stabilne pary, czyli A – U i C – G. Na jednym końcu pierwszej nici – zwanej nicią „donorową” – wbudowano niekanoniczną zasadę RNA, zwaną t6A, która jest zdolna do wiązania aminokwasu. Na końcu drugiej nici RNA – zwanej nicią „akceptorową” – dodali kolejną niekanoniczną zasadę RNA, zwaną mnm5U.

Okazało się, że kiedy komplementarne nici RNA donorowego i akceptorowego związały się ze sobą dzięki komplementarności, mnm5U chwycił aminokwas związany w t6A. Dopiero po dodaniu odrobiny ciepła t6A puścił i przekazał swój aminokwas mnm5U, a komplementarne nici oddzieliły się i rozeszły. Czyli reakcja została zatrzymana.

Proces przekazywania aminokwasu można jednak ciągnąć dalej. Kolejna nić donorowa zawierająca inny aminokwas może następnie wiązać się z nicią akceptorową. Proces może tworzyć łańcuchy peptydowe o długości do 15 aminokwasów, czytamy w „Nature”.

Mózg, który nie chce jeść, czyli anoreksja

Jadłowstręt, gdy spojrzymy na niego tak prosto, to sprzeczny z instynktem samozachowawczym zestaw zachowań mogących prowadzić do zagłodzenia...

zobacz więcej

Naukowcy poszukują dalej, w jaki sposób owe nici RNA mogły zostać wybrane do określonych ciągów aminokwasów potrzebnych do rzeczywistych białek. Czyli jak połączenia przypadkowe stały się nieprzypadkowymi. Na czym polegała selekcja w tym ewoluującym systemie.

Obecność niekanonicznych zasad sprawia też, że choć normalnie obecność aminokwasu powinna niejako „obciążać” nić RNA i sprawiać, że jej łączenie się z drugą dzięki komplementarności zasad jest trudniejsze niż bez „cargo”, to jest przeciwnie. Obecność aminokwasów umacnia połączenie między pojedynczymi nićmi RNA. U początków życia na Ziemi zatem tworzenie peptydów i RNA mogło być synergistyczne: RNA mogło pomóc w tworzeniu peptydów, a peptydy mogły pomóc w stabilizacji i tworzeniu coraz dłuższych RNA.

Specjaliści komentują na łamach „Science”, gdzie odkrycie jest też omawiane, że ta synergia mogła wytworzyć ogromną chemiczną różnorodność RNA, peptydów i kombinacji tych dwóch elementów molekularnych. Kombinacje zaś to coraz większa złożoność nukleoproteinowego systemu, który rozrasta się cały czas, choć bez rybosomów. Ostatecznie powstają one w wyniku tej właśnie przedrybosomalnej ewolucji.

Jak podsumowują swoje odkrycia autorzy: „Koncepcja świata RNA jest jednym z najbardziej fundamentalnych filarów powstania teorii życia. Przewiduje, że życie wyewoluowało z coraz bardziej złożonych samoreplikujących się cząsteczek RNA”. Nadal nie wiemy, jak dochodzi do samoreplikacji RNA, ale…

Alzheimer i poczucie wypalenia, czyli co bada psychiatria molekularna

Mózg, a już zwłaszcza mózg ludzki, jest dla nas wielką tajemnicą. Jego możliwości kierowania naszymi złożonymi zachowaniami, myślami, uczuciami, a...

zobacz więcej

„Pytanie, w jaki sposób ten świat RNA przeszedł do następnego etapu, w którym białka stały się katalizatorami życia, a RNA ograniczyło swoją funkcję głównie do przechowywania informacji genetycznej, jest jedną z najbardziej tajemniczych zagadek w ewolucji”.

Odpowiedzią są niekanoniczne zasady RNA, znajdujące się obecnie w transferowych i rybosomalnych RNA (niezbędnych dziś do biosyntezy białek), które uważa się za relikty świata RNA. Są w stanie ustanowić syntezę peptydów bezpośrednio na RNA.

Odkryta przez grupę Carella chemia tworzy złożone, „okraszone” peptydami chimeryczne cząsteczki RNA. Według tych autorów sugeruje to wczesne istnienie świata RNA-peptydów, z którego mogła wyłonić się synteza białek rybosomalnych. Zanim zatem był świat kwasów nukleinowych (RNA) osobno i białek (peptydów) osobno, istnieć musiał świat połączonych stabilnie nukleoprotein, ewoluujących wspólnie. Dziś jego relikty trwają w systemie rybosomy – transferowy RNA, który jest obecny w każdej żywej komórce na naszej planecie.

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej