Επιστήμονες από το Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας του Συμβουλίου Ιατρικών Ερευνών (MRC) στην Αγγλία δημιούργησαν ένα νέο τύπο γενετικού συστήματος αναπαραγωγής το οποίο καταδεικνύει πώς η πρώτη ζωή στη Γη – με τη μορφή του RNA – θα μπορούσε να αναπαραχθεί από μόνη της. Υποστηρίζουν δε ότι το νέο RNA χρησιμοποιεί ένα σύστημα γενετικής αναπαραγωγής σε αντίθεση με οποιοδήποτε άλλο γνωστό φυσικό φαινόμενο στη Γη σήμερα.
Υγρή άλμη που περιέχει αναδιπλασιαζόμενα μόρια RNA συγκεντρώνονται στις ρωγμές μεταξύ κρυστάλλων πάγου, όπως παρατηρείται με ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο
Μια δημοφιλής θεωρία για τα πρώιμα στάδια της ζωής στη Γη λέει ότι αυτή βασίστηκε στα σκέλη του RNA, ενός χημικού ξαδέλφου του DNA. Όπως το DNA, οι κλώνοι του RNA μπορούν να μεταφέρουν γενετική πληροφορία χρησιμοποιώντας έναν κώδικα τεσσάρων μοριακών γραμμάτων (βάσεων), αλλά το RNA μπορεί να είναι κάτι περισσότερο από μια απλή «χορδή» πληροφορίας. Ορισμένοι κλώνοι RNA μπορούν επίσης να αναδιπλωθούν σε τρισδιάστατα σχήματα που μπορούν έτσι να σχηματίσουν ένζυμα, που ονομάζονται ριβοένζυμα, και να διεξάγουν χημικές αντιδράσεις.
Εάν ένα ριβοένζυμα μπορεί να αντιγράψει διπλωμένο RNA, μπορεί να αντιγράψει και να υποστηρίξει ένα απλό βιολογικό σύστημα.
Προηγουμένως, οι επιστήμονες είχαν αναπτύξει ριβοένζυμα που θα μπορούσε να αναπαράγει ευθείες κλώνους RNA, αλλά εάν το RNA ήταν διπλωμένο εμπόδιζε το ριβοένζυμο να το αντιγράψει. Δεδομένου ότι τα ίδια τα ριβοένζυμα είναι διπλωμένα RNA, η δική τους αναπαραγωγή μπλοκάρεται.
Τώρα, σε ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό eLife , οι επιστήμονες έχουν επιλύσει αυτό το παράδοξο σχεδιάζοντας το πρώτο ριβοένζυμο που είναι ικανό να αναπαράγει διπλωμένα RNAs, συμπεριλαμβανομένου και του εαυτού του.
Συνήθως κατά την αντιγραφή του RNA, ένα ένζυμο θα προσθέσει μεμονωμένες βάσεις (C, G, A ή U) μία κάθε φορά, αλλά το νέο ριβοένζυμο χρησιμοποιεί τρεις βάσεις ενωμένες ως «τριπλέτα» (π.χ. GAU). Αυτά τα τριπλά δομικά στοιχεία επιτρέπουν στο ριβοένζυμο να αντιγράψει διπλωμένο RNA, επειδή οι τριάδες δεσμεύονται πολύ περισσότερο στο RNA και το αναγκάζουν να ξετυλιχτεί – έτσι το νέο ριβόζυμο μπορεί να αντιγράψει τη δική του διπλωμένη αλυσίδα RNA.
Οι επιστήμονες λένε ότι η «αρχέγονη σούπα» θα μπορούσε να περιείχε ένα μίγμα βάσεων σε πολλά μήκη – μία, δύο, τρεις, τέσσερις ή περισσότερες βάσεις ενωμένες μεταξύ τους – αλλά διαπίστωσαν ότι χρησιμοποιώντας μια σειρά βάσεων μεγαλύτερες από μια τριπλέτα έκαναν αντιγραφή του RNA με λιγότερη ακρίβεια.
Ο Philipp Holliger, από το Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας του MRC δήλωσε: “Βρήκαμε μια λύση στο παράδοξο αναπαραγωγής του RNA, αφού ξανασκεφτήκαμε ότι για να προσεγγίσουμε το πρόβλημα πρέπει να σταματήσουμε να μιμούμαστε την υπάρχουσα βιολογία και πρέπει να σχεδιάσουμε μια εντελώς νέα συνθετική στρατηγική. Είναι συναρπαστικό το γεγονός ότι το RNA μας μπορεί τώρα να συνθέσει τον εαυτό του.
“Έχουμε ένα ωραίο άνοιγμα των διπλωμένων δομών του RNA, αλλά η ακρίβεια είναι ακόμα υψηλή. Συγκεκριμένα, αν και οι τριπλέτες δεν χρησιμοποιούνται στη σημερινή βιολογία για αντιγραφή, η πρωτεϊνική σύνθεση με το ριβόσωμα – μια αρχαία μηχανή RNA που πιστεύεται ότι είναι ένα λείψανο της πρώιμης ζωής που βασίζεται στο RNA – προχωρά χρησιμοποιώντας ένα τριπλό κώδικα.
“Ωστόσο, αυτό είναι ένα πρώτο βήμα μόνο, διότι το ριβόζωμα μας χρειάζεται ακόμα πολύ βοήθεια από εμάς για να κάνουμε αναπαραγωγή. Το επόμενο βήμα είναι να το ενσωματώσουμε στα πιο σύνθετα μίγματα που να μιμούνται την αρχέγονη σούπα – πιθανότατα αυτό ήταν ένα διαφορετικό χημικό περιβάλλον που περιέχει επίσης μια σειρά από απλά πεπτίδια και λιπίδια που θα μπορούσαν να έχουν αλληλεπιδράσει με το RNA.
Τα πειράματα διεξήχθησαν σε πάγο στους -7 ° C, επειδή οι ερευνητές είχαν προηγουμένως ανακαλύψει ότι η ψύξη συγκεντρώνει τα μόρια του RNA, μέσα σε μια υγρή άλμη, σε μικρά κενά μεταξύ των κρυστάλλων του πάγου. Αυτό, επίσης, είναι ευεργετικό για τα ένζυμα RNA, τα οποία είναι έτσι πιο σταθερά και λειτουργούν καλύτερα σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Ο Holliger προσθέτει: “Πρόκειται για μια εντελώς νέα συνθετική βιολογία και υπάρχουν πολλές πτυχές του συστήματος που δεν έχουμε διερευνήσει ακόμα. Ελπίζουμε ότι στο μέλλον θα έχει και κάποιες εφαρμογές βιοτεχνολογίας, όπως η προσθήκη χημικών τροποποιήσεων σε ειδικές θέσεις σε πολυμερή RNA για τη μελέτη επιγενετικών RNA ή την αύξηση της λειτουργίας του RNA “.
Ο Nathan Richardson, επικεφαλής της Μοριακής και Κυτταρικής Ιατρικής στο MRC, δήλωσε: “Πρόκειται για ένα πραγματικά συναρπαστικό παράδειγμα της έρευνας που έχει αποκαλύψει σημαντικές ιδέες για το πώς οι αρχικές δομές της ζωής μπορεί να έχουν προκύψει από την αρχέγονη σούπα πριν από 3.7 δισεκατομμύρια χρόνια. Δεν είναι μόνο αυτή η συναρπαστική επιστήμη, αλλά η κατανόηση των ελάχιστων απαιτήσεων για την αντιγραφή του RNA και για το πώς αυτά τα συστήματα μπορούμε να τα χειριστούμε, οπότε θα μπορούσε να προσφέρει συναρπαστικές νέες στρατηγικές για τη θεραπεία ανθρώπινων νόσων”.
