Původní recept na genovou polévku mohl být jednoduchý – déšť, změť společných molekul, teplé sluníčko a noční ochlazení. Poté přidejte špetku zahušťovadla.
Poslední složka možná pomohla genům podobným vláknům, aby se vůbec poprvé zkopírovaly v kalužích, před miliardami let, kdy Země byla bez života, zjistili vědci z Georgia Institute of Technology. Jejich nové objevy přispívají k rostoucímu množství důkazů, které naznačují, že první život se mohl vyvinout relativně snadno, zde a možná i jinde ve vesmíru.
A nabízejí přímou odpověď na hlodavou 50 let starou otázku: Jak se prekurzory dnešního genetického kódu poprvé zduplikovaly, než existovaly enzymy, které jsou dnes pro tento proces nepostradatelné?
Koření života?
Po celé generace vědci, kteří hledají odpověď, prováděli experimenty ve vodě, ale narazili do zdi.
Výzkumníci společnosti Georgia Tech Christine He a Isaac Gállego to překonali přidáním běžně dostupného viskózního rozpouštědla (zahušťovadla). V samostatných experimentech s DNA a poté s RNA pokračoval proces kopírování.
"Myslím, že je to velmi, velmi odlišné od všeho, co bylo provedeno dříve," řekl výzkumník He. "Jednoduchým způsobem můžeme změnit fyzické prostředí a podporovat tyto procesy, které by se nestaly v podmínkách běžně používaných."
Snadný recept
Snadnost je zásadní, řekla Martha Groverová, profesorka, která dohlížela na výzkum na škole chemického a biomolekulárního inženýrství Georgia Tech. Snadné reakce budou pravděpodobně produktivnější a rozšířenější.
"Jednoduchý a robustní proces, jako je tento, mohl fungovat v různých prostředích a koncentracích, díky čemuž by byl realističtější při posouvání evoluce vpřed," řekla.
Groverova laboratoř a laboratoř Nicka Huda na Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry zveřejnily výsledky v pondělí 10. října 2016 v časopise Nature Chemistry. Jejich výzkum byl financován National Science Foundation a NASA Astrobiology Program v rámci NASA/NSF Center for Chemical Evolution.
Nukleotidové nudle
Nejstarší život byl založen na RNA nebo podobném polymeru, podle hypotézy zvané Svět RNA. V tomto scénáři, na evoluční časové ose, by sebereplikace RNA řetězců dostatečně dlouhých na to, aby to byly potenciální geny, zhruba znamenala práh k životu.
Tyto dlouhé nukleotidové řetězce mohly být smíchány dohromady v loužích s kratšími nukleotidovými řetězci. Teplo ze slunce by způsobilo, že by se dlouhé prameny oddělily od jejich spirálových struktur a krátkým by dal šanci se s nimi vyrovnat a stát se jejich kopiemi.
Je tu ale problém.
V samotné vodě, když nastane chlazení, dlouhé řetězy zapadnou zpět do své spirálové struktury tak rychle, že není čas na sladění s kratšími řetězy. Toto prasknutí, ke kterému dochází v RNA i DNA, se nazývá „inhibice řetězce“a v živých buňkách řeší enzymy problém udržování dlouhých řetězců oddělených, zatímco se genové řetězce duplikují.
Spíš jako dušené maso
"Problém je problém ve vodě, na který se každý dívá v prebiotické (předživotní) chemii," řekl postgraduální výzkumný asistent He. Cítila, že je čas to přehodnotit, a pomohla jí odbornost v chemickém inženýrství.
Je známo, že vysoká viskozita zpomaluje pohyb dlouhých řetězců DNA, RNA a dalších polymerů.
"Je to trochu jako nechat je plavat v medu," řekl Grover. Aplikovat to na chemii původu života se zdálo samozřejmé, protože v prebiotických dobách tam pravděpodobně bylo docela dost lepkavých louží.
"V tomto řešení to dává krátkým nukleotidům, které se pohybují rychleji, čas skočit na dlouhé vlákno a poskládat duplikát dlouhého vlákna," řekl výzkumník. V jejích experimentech to fungovalo.
Vlásenky v polévce
A vyvolalo to povzbudivé překvapení. Řetězce DNA a RNA se složily na sebe a vytvořily tvary zvané vlásenky.
"Na začátku jsme si neuvědomovali důležitost vnitřní struktury," řekl Christine. Pak si všimli, že tvar pomáhá udržovat RNA a DNA k dispozici pro proces párování. "Vytvoření vlásenky je nedílnou součástí toho, aby je udrželi otevřené," řekl Grover.
Ale také to mohlo urychlit chemickou evoluci jiným způsobem. "Řešením je výběr zde pro sekvence, které se skládají a které by měly větší potenciál pro funkční aktivitu - jako ribozym," řekl výzkumník He.
Ribozymy jsou enzymy vyrobené z RNA a enzymy katalyzují biochemické procesy. Nechat je vyvinout ve stejném řešení, které podporuje replikaci genetického kódu, mohlo zkrátit cestu k prvnímu životu.
"Opravdu potřebujete zesílit funkční sekvence, aby se evoluce posunula vpřed," řekl Grover. Záhyby byly neočekávaným vedlejším účinkem a jejich nalezení otevírá cestu pro budoucí výzkum.
Další přísada?
Vědci z Georgia Tech použili ve svých experimentech skutečná genová vlákna, což může znít všedně, ale v minulosti někteří výzkumníci speciálně zkonstruovali sekvence DNA a RNA ve snaze dospět k podobným výsledkům.
On a Gállegoovo použití přirozeně se vyskytujícího genu, spíše než specificky vytvořené sekvence, ukazuje, že viskozita mohla být velmi obecným řešením pro podporu kopírování nukleových kyselin se smíšenou délkou a sekvencemi.
Pro usnadnění rychlých a jasných výsledků použili výzkumníci Georgia Tech purifikované krátké nukleotidové řetězce a aplikovali je v poměrech, které podporovaly produktivní reakce. Začali však se složitějšími, méně čistými přísadami a ta zkušenost stála za to.
"Pokud vezmeme v úvahu prebiotickou polévku, je pravděpodobně nepořádná; obsahuje spoustu nečistot," řekl Christine. "Když jsme poprvé začínali s nečistějšími nukleotidy, stále to fungovalo. Možná se stejná reakce skutečně mohla stát v špinavé louži před miliardami let."
Viskózním rozpouštědlem byl glycholin, směs glycerolu a cholinchloridu. Na prebiotické Zemi se pravděpodobně nevyskytoval, ale jiná viskózní rozpouštědla pravděpodobně byla.
Po přiřazení krátkých vláken ke každému dlouhému také vědci aplikovali enzym, aby spojili zarovnané krátké kousky do dlouhého řetězce v biochemickém procesu zvaném ligace.
Na prebiotické Zemi by enzymy nebyly přítomny, a přestože existují chemické postupy pro ligaci RNA, „nikdo dosud nevyvinul chemii tak robustní, aby dokázala nahradit enzym,“řekl Grover.
Nalezení takové, která by mohla fungovat na prebiotické Zemi, by bylo důstojným cílem pro další výzkum.
