Co było pierwsze: jajko czy kura? Ewolucjoniści znają odpowiedź: jajka (choć niekoniecznie kurze) pojawiły się na Ziemi znacznie wcześniej niż same kury. Nierozwiązany pozostaje jednak trudniejszy problem: czy pierwszymi samoreplikującymi się cząsteczkami, od których zaczęło się życie na Ziemi, były DNA, RNA czy białka? Jak to rozstrzygnąć?
Białka, DNA i RNA
W dzisiejszych organizmach żywych role są jasno podzielone. DNA wykorzystywany jest jako trwały nośnik, na którym zapisane są „przepisy” na białka. RNA to mobilna struktura, która przepisuje te informacje i niesie je do komórkowych maszyn budujących białka. Białka z kolei to cegiełki wspierające przetrwanie i replikację kwasów nukleinowych – pełnią funkcję budulców oraz enzymów wykonujących całą pracę. Który z nich był jednak pierwszy? Odpowiedź wcale nie musi być jednoznaczna.
– Wraz z zespołem zajmujemy się ścieżkami syntezy monomerów RNA i DNA w warunkach prebiotycznych. Szukamy odpowiedzi na pytanie, jak mogła powstać pierwsza funkcja polimeru informacyjnego bez udziału enzymów. W dzisiejszej biochemii proces ten jest ściśle kontrolowany przez maszynerię białkową. Chcemy sprawdzić, czy zanim pojawiły się pierwsze enzymy, polimery informacyjne były w stanie się same namnażać – mówi dr hab. Rafał Szabla z PWr.
Samoreplikacja
Nowe badania pokazują, iż to struktura przestrzenna (drugorzędowa) preferowana przez RNA predysponuje go do wyjątkowo wydajnej samoreplikacji przy nieobecności enzymów. – Mamy dwa główne typy helis: helisę typu A, charakterystyczną dla RNA, i helisę typu B, typową dla DNA. Helisa typu A jest bardziej ściśnięta i skondensowana. Helisa typu B jest bardziej rozciągnięta i wygląda „bardziej elegancko” – to ją kojarzymy z obrazków pokazujących kod genetyczny w popkulturze – tłumaczy współautorka badań, doktorantka Barbara Lech.
Ta różnica determinuje reaktywność. Dzięki symulacjom komputerowym badacze zrozumieli, iż w strukturze RNA „cegiełki” budujące nową nić pasują do wnęki na nici wzorcowej znacznie ciaśniej. W przypadku DNA wolnej przestrzeni jest za dużo; cegiełka może się „kołysać”, co bez pomocy enzymów czyni proces kopiowania nieefektywnym.
Potwierdzają to eksperymenty zainspirowane pomysłem naukowców z Australii. Okazuje się, iż jeżeli spróbujemy połączyć monomery DNA na matrycy RNA, proces zachodzi bardzo wydajnie. Dzieje się tak, ponieważ RNA narzuca strukturze swoją „ciasną” helikalność typu A, która promuje kopiowanie. To sugeruje, iż wybór RNA przez naturę nie był przypadkiem, ale wynikał z czystej chemii.
Świat RNA
– Pozostałe formy kwasów nukleinowych, jakie były rozważane w biologii syntetycznej, nie są w stanie pełnić tej samej funkcji co RNA. Bez jego obecności nie ulegają one efektywnej samoreplikacji. Jest to kolejny mocny argument za hipotezą tzw. świata RNA – teorii, według której to ta makromolekuła odegrała kluczową rolę w powstaniu złożonej biochemii, a następnie życia na Ziemi – podkreśla Szabla.
Mimo iż badania te należą do nurtu nauk podstawowych, badacze liczą, iż pobudzą one rozwój nowych technologii. Zrozumienie, jak RNA radzi sobie bez enzymów, może zrewolucjonizować komercyjną syntezę DNA. w tej chwili najpopularniejsza metoda powielania materiału genetycznego – łańcuchowa reakcja polimerazy (PCR), stosowana m.in. w testach na COVID-19 – wymaga użycia drogich enzymów. Opracowanie metod syntezy bez udziału enzymów mogłoby znacznie uprościć procedury laboratoryjne i obniżyć ich koszty.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. RawPixel/ CC0
