Świat RNA

Publikowane 9 grudnia 2017 na naszsalon24.org

W poprzednim „ewolucyjnym” tekście zapowiadałem, że coś napiszę o „świecie RNA”. Dla tych co nie czytali lub już nie pamiętają, krótko przypominam i wyjaśniam o co chodzi.

Ewolucjoniści darwinowscy i neodarwinowscy przyjęli już do wiadomości, że samoistne, przypadkowe powstanie DNA nie jest możliwe. Nawet Francis Crick, laureat nagrody Nobla za odkrycie struktury DNA, zagorzały ateista i ewolucjonista, sam poddawał w wątpliwość możliwość przypadkowego powstania chociażby jednej prostej proteiny na drodze chaotycznego łączenia się aminokwasów.

Dlaczego DNA nie mogło samo się zrobić? Wynika to z odkrycia jak funkcjonuje w komórce mechanizm syntezy białek.

Poznanie szczegółów tego procesu ujawniło, że na etapie zarówno translacji jak i transkrypcji niezbędne są pewne funkcjonalne białka o bardzo specyficznej i złożonej budowie, np. polimerazy RNA (enzym, katalizator), czy inne białka katalizujące proces tworzenia białek w rybosomie.

Mechanizm syntezy białka przez DNA wymaga już wcześniej istnienia białka – katalizatora. To stoi w sprzeczności z postulowanym stopniowym procesem wykształcania się mechanizmów zachodzących w komórce.

„Każdy, kto próbuje rozwiązać tę zagadkę, natychmiast natrafia na paradoks. Współczesne kwasy nukleinowe są syntetyzowane wyłącznie z pomocą białek, a białka powstają tylko wówczas, kiedy istnieje odpowiadająca im matryca w postaci właściwej sekwencji nukleotydów. Jest zupełnie nieprawdopodobne, by tak skomplikowane struktury, jak białka i kwasy nukleinowe, powstały w tym samym miejscu i w tym samym czasie spontanicznie. Z drugiej strony, jedne nie mogą funkcjonować bez drugich”. (biochemicy Leslie Orgel i James Shapiro)

Niemożliwe jest jednoczesne przypadkowe powstanie takiego mechanizmu. Mamy typowy nierozwiązywalny problem, co było pierwsze – jajko czy kura. Ten mechanizm jest przykładem złożoności nieredukowalnej.

I tu pojawia się tytułowy „świat RNA” jako możliwość obejścia tego problemu. Na początek obrazek czym jest RNA i ukazujący różnicę względem DNA.

 

 

Jak widać jest kopią połówki DNA z podmienioną Tyminą na Uracyl. Wyszczególnia się kilka rodzajów RNA z uwagi na miejsce występowania, funkcję i stabilność życia.

 

Nowy scenariusz ewolucji komórkowej zakładał, że biosynteza białek przebiegała w sposób pośredni począwszy od cząstek RNA. Pomysł polegał na tym, że RNA miałaby pełnić jednocześnie funkcję nośnika informacji genetycznej – jak dzisiejsze DNA i katalizatora reakcji chemicznych – jak dzisiejsze białka. Takie dwa w jednym.

Co na ten temat mówił wcześniej cytowany biochemik Leslie Orgel:

„Postawiliśmy hipotezę, że jako pierwszy mógł pojawić się RNA i stworzyć to, co dziś nazywamy światem RNA, w którym wszystkie reakcje niezbędne, by prekursor ostatniego wspólnego przodka mógł przetrwać i replikować się, były katalizowane przez RNA. Zakładaliśmy również, że RNA mógł następnie rozwinąć zdolność do kierowania łączeniem się aminokwasów w łańcuchy białkowe. Sądziliśmy, że taki scenariusz mógł być zrealizowany, jeśli prebiotyczny RNA w odróżnieniu od dzisiejszego miał dwie nieznane obecnie cechy: zdolność do replikacji bez udziału białek i zdolność do katalizowania każdego etapu ich syntezy. […] Łatwo było również pokazać, w jaki sposób RNA mógł ewoluować do DNA, który będąc bardziej stabilnym, wyparł RNA z funkcji strażnika informacji genetycznej”.

Nie pozostało nic innego niż zacząć eksperymentować i weryfikować postawioną hipotezę. W latach 80. odkryto, że faktycznie istnieją cząsteczki RNA mające zdolność katalizowania niektórych reakcji chemicznych.

Nazwano je rybozymami  – coś jak enzym tylko niebiałkowy.

Obecnie takim rybozymem, szczególnie ważnym dla zwolenników świata RNA, jest rybosomowy RNA (rRNA). Katalizuje on reakcję łączenia aminokwasów w łańcuchy polipeptydowe, czyli białka. Wielu naukowców uważa, że ten rybozym jest taką molekularną „skamieniałością” dowodzącą pierwszeństwa powstania RNA.

Fakt że niektóre cząsteczki RNA mogą pełnić funkcje katalityczne jest za słaby, aby stwierdzić słuszność teorii. Należało wykazać, że kataliza mogła zdarzyć się samoistnie w warunkach prebiotycznych oraz co równie ważne, że zachodziła samoistna replikacja, czyli że rybozymy tworzyły własne kopie. Bez dziedziczenia nie powstałyby struktury potomne, które mogłyby przekazać osiągnięte funkcje dalej, co jest podstawą ewolucji.

No i po pierwsze, najważniejsze do udowodnienia, że jest możliwa prebiotyczna, nieenzymatyczna, samoistna synteza cząstek RNA (rybozymów) z rybonukleotydów, z których ten kwas jest zbudowany.

Nukleotyd – podstawowa cegiełka budowy DNA i RNA (rybonukleotyd)

Nie ma sensu żebym cytował opisy skomplikowanych doświadczeń i przepisywał analizy i szczegółowe wyniki. Dla zainteresowanych takie informacje są dostępne w sieci z tym, że oczywiście nie są tak eksponowane jak „teoria” ewolucji Darwina. Na końcu podam kilka źródeł. Teraz przedstawię tylko wnioski jakie wynikły z serii doświadczeń.

Wcześniej parę uwag o samych doświadczeniach. Temat jest niebanalny, skomplikowany i obarczony dużą niepewnością. Zasadniczy problem – jak współcześnie ustalić i z jaką wiarygodnością, jak było 500 mln, czy 3 mld lat temu? Trzeba by znać zestaw dostępnych substratów, ich ilość, warunki dla reakcji (temperaturę, ciśnienie, skład chemiczny środowiska, pH, …),  wpływ promieniowania (w całym widmie), zjawiska elektromagnetyczne i Bóg wie co jeszcze.

Z grubsza założono, że substratami wejściowymi były proste związki organiczne, które można otrzymać powodując wyładowanie elektryczne w mieszaninie gazów, jaka miałaby być w pierwotnej atmosferze.

Mając na uwadze niepewność danych wejściowych zobaczmy co wyszło z eksperymentów.

Nieenzymatyczna synteza rybonukleotydów

Dzisiaj komórki do wytworzenia nukleotydów angażują ponad 20 różnych enzymów (białkowych) tworzonych na bieżąco z dostępnych związków chemicznych. Wyjątkowo je wymienię, żeby uzmysłowić jak złożone są procesy komórkowe:

„Enzymy biorące udział w biosyntezie rybonukleotydów purynowych (adenina i guanina) to:
syntaza PRPP, amidotransferaza glutanylo-PRPP, syntetaza GAR, transformylaza GAR, syntetaza FGAM, syntetaza AIR, karboksylaza AIR, syntetaza SAICAR, liaza adenylobursztynianowa, transformylaza AICAR, cyklohydrolaza IMP oraz odpowiednio syntetaza adenylobursztynianowa i adenylobursztynaza dla szlaku prowadzącego do AMP lub dehydrogenaza IMP i syntetaza GMP dla szlaku prowadzącego do GMP (synteza z wolnych zasad purynowych wymaga udziału fosforybozylotransferazy adeninowej i fosforybozylotransferazy hipoksantynowo-guaninowej).

W syntezie rybonukleotydów pirymidynowych (cytozyna, uracyl i tymina) biorą udział:
syntetaza karbamoilofosforanowa, karbamoilotransferaza asparaginianowa, dihydroorotaza, dehydrogenaza dihydroorotanowa, fosforybozylotransferaza orotanowa, dekarboksylaza orotydyno-5’-fosforanowa, kinaza NMP, kinazy nukleozydomonofosforanowe i kinazy nukleozydodifosforanowe (Jancso, Sculaccio, Thiemann 2001: 252, Murray, Granner, Rodwell 2008: 364-368).”

Natomiast w przeprowadzonych doświadczeniach składniki RNA miały powstać z „prebiotycznej zupy” bez udziału tych enzymów.

Jakie wnioski wynikają z eksperymentów?

1.       Niska dostępność substratów.
By uzyskać jakiś związek do dalszej syntezy monomeru trzeba było zapewnić wysokie stężenia substratów, co było niemożliwe dla pierwotnej atmosfery czy mórz.

2.       Niska wydajność reakcji.
Otrzymuje się mieszaniny z niewielką ilością pożądanych produktów do dalszej syntezy.

3.       Ograniczona stabilność produktów do dalszej syntezy.
Na przykład ryboza jest nietrwała w środowisku zasadowym w jakim zachodzi jej synteza. Adenina ulega łatwo degradacji, jest reaktywna z formaldehydem a z rybozą reaguje w znikomym stopniu. Cytozyna jest niestabilna chemicznie.
W żywych komórkach występują specjalne enzymy naprawcze, które reperują DNA w miejscu deaminacji cytozyny (zmienia się w uracyl).  Glikozylaza uracylowa usuwa uracyl z DNA a inne enzymy (np. ligaza DNA) odtwarzają cytozynę. Przyznacie, że inżynieria na wysokim poziomie. A może przypadek :) ?

4.       Problem z konfiguracją przestrzenną związków.
W reakcjach powstaje mieszanina związków organicznych o tym samym składzie chemicznym ale różnej konfiguracji przestrzennej (lewo i prawoskrętne). Wszystkie organizmy żywe składają się wyłącznie ze związków lewoskrętnych, bo takie wytwarzają. Poza organizmami żywymi nie znamy mechanizmów, które pozwalałyby selektywnie uzyskiwać właściwe izomery optyczne nukleotydów. Przykładowo aminokwas alanina w dwu odmianach:

5.       Niezgodność warunków dla powstania rybonukleotydów (monomerów RNA).
Ryboza (cukier) i zasady azotowe (CGAU) nie mogą powstać w tym samym roztworze.

6.       Nieprawdopodobny scenariusz syntez.
Można powiedzieć, że spontaniczne powstanie poszczególnych cegiełek RNA nie wymaga złamania żadnych praw fizyki, ale prawdopodobieństwo jego zajścia a zwłaszcza powstanie samo powielającego się i katalizującego RNA jest praktycznie żadne.

Samoistna replikacja – rybozymy tworzą własne kopie

Nie zaobserwowano. W zasadzie można by nie analizować tej tezy, bo brak eksperymentalnego potwierdzenia stworzenia rybozymu z „pierwotnego bulionu” zwalnia od rozważań nad jego zdolnością do replikacji. Gdyby jednak taki rybozym się pojawił, to mamy kolejny problem. Powodem jest odejście od prebiotycznego oceanu na rzecz bajorek stanowiących bardziej realne środowisko dla reakcji syntezy. Niestety im mniejsze zbiorniki tym mniejsze prawdopodobieństwo tworzenia różnych sekwencji rybonukleotydów a zatem jeszcze mniejsze prawdopodobieństwo, że któraś z reakcji wytworzy RNA, które będzie zdolne do samo replikacji.

Wnioski końcowe

Badania wykazały, że w laboratorium można z pierwotnych związków organicznych przeprowadzić poszczególne reakcje składające się na nieenzymatyczną syntezę specyficznych nukleotydów. Jednak te reakcje przeprowadzane są oddzielnie w warunkach odpowiednich dla każdego z nich. Być może kiedyś zostaną stworzone takie warunki eksperymentalne, że z prostych związków powstaną jednocześnie różne nukleotydy.

Przed naukowcami dużo ambitnych zadań, jak nieenzymatyczna polimeryzacja rybonukleotydów, stworzonych z podstawowych związków chemicznych, prowadząca do powstania cząstki RNA o możliwości samo powielania i posiadającą właściwości katalityczne.

 

https://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/39252/title/RNA-World-2-0/
Shapiro R. (2007), Prostsze początki życia, „Świat Nauki”
Allison L. A. (2009), Podstawy biologii molekularnej, Warszawa: Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego.
Sagan D. (2008), Spór o nieredukowalną złożoność układów biochemicznych, Warszawa: Megas.