Újabb lépés az élet tyúk-tojás problémájának megoldásához

Az élet keletkezésének egyik máig megválaszolatlan kérdése, hogy a fehérjék vagy az örökítőanyag (RNS vagy DNS) jött létre előbb a kémiai evolúció folyamán. Úgy tűnhet (sokáig úgy is tűnt), hogy nincs genetikai kód fehérjék nélkül, és nincs fehérje genetikai kód nélkül. Ez egy klasszikus "tyúk-tojás" probléma. Mostanában azonban több olyan kutatási eredmény látott napvilágot, ahol enzimek közreműködése nélkül sikerült RNS-t, illetve DNS-szerű molekulákat előállítani. Ezek azokat az elképzeléseket támasztják alá, amelyek szerint az örökítőanyag létrejöttével kezdődhetett az élet kialakulása a bolygónkon.

RNS-világ

A múlt század hatvanas és hetvenes éveiben a fehérjék tűntek a "mérkőzés" győztesének, 1982-ben azonban felfedezték, hogy egyes természetes biokémiai folyamatokban nem fehérjék, hanem RNS-molekulák szerepelnek biokatalizátorként, azaz enzimként (ezek az úgynevezett ribozimok). Az RNS-ek enzimatikus aktivitása felvetette a gondolatot, hogy a fehérjék és a nukleinsavak evolúciós "összehangolódása" előtt az élet (de legalábbis a kialakulásához vezető folyamat) egy olyan állapotban létezhetett, amelyben az RNS-molekulák töltötték be mind az információtárolás, mind pedig az információ átírásának szerepét. Az evolúció e feltételezett lépcsőfokát "RNS-világ"-nak, az ebben az időszakban élt hipotetikus élőlényeket pedig ribo-organizmusoknak nevezték el.

Ám a mai napig jelentős gondot okoz az RNS-világ mellett lándzsát törő kutatóknak, hogy az élet kialakulásának korai szakaszában nagy valószínűséggel még nem léteztek enzimaktivitású molekulák, és az RNS-enzimek szintetizálásához eddig mindig szükség volt más enzimek közreműködésére.

RNS-szintézis enzimek nélkül: a kulcs a megfelelő pH és hőmérséklet

Olasz kutatóknak nemrég egy egyszerű kísérlet segítségével sikerült közelebb jutni a fenti probléma megoldásához. Működőképes RNS-enzimet ugyan még nem tudtak előállítani enzimek nélkül, de az eddigieknél jóval hosszabb (százas nagyságrendű építőelemből, úgynevezett nukleotidból) álló RNS-molekulákat szintetizáltak "kémcsőben". Egy ilyen hosszúságú RNS-molekuláknak már komolyabb enzimaktivitása is lehetett az élet hajnalán: a legegyszerűbb ismert RNS-enzim pusztán hat nukleotidból, három uracilból és három adeninből áll (UUUAAA).

Az RNS normális esetben egyszerre egy nukleotiddal bővül, úgy növekszik fokozatosan, mint az egymáshoz kapcsolt láncszemekből álló lánc. Noha az RNS növekedése enzimek nélkül is lejátszódik, a folyamat olyan lassú, hogy a keletkező RNS-szál csupán néhány bázis hosszúságú lesz. Ennek oka, hogy amint nukleotidok kapcsolódnak a lánc egyik végéhez, ezzel egy időben könnyen le is törhetnek a szál másik végéről.

Ernesto Di Mauro és munkatársai azt vizsgálták, létezik-e olyan mechanizmus, amellyel le lehetne győzni ezt a termodinamikai akadályt. Rövid RNS-szakaszokat inkubáltak különböző hőmérsékletű és pH-jú vízben. Azt tapasztalták, hogy kedvező körülmények között (savas környezetben és 70 Celsius-foknál alacsonyabb hőmérsékleten) a 10-24 nukleotid hosszúságú RNS-darabkák rendszerint 14 órán belül nagyobb töredékekké egyesültek.

Az RNS-töredékek kétszálú szerkezetekké álltak össze, majd a végük összekapcsolódott. A töredékeknek nem kellett egyforma méretűeknek lenniük, de a reakciók hatékonysága a darabok nagyságától (a nagyobb méret előnyösebb volt, noha a hatékonyság újra csökkent, miután a szál hosszúsága elérte a 100 nukleotidos hosszúságot), valamint a töredékek szekvenciájának hasonlóságától függött.

A JBC (Journal of Biological Chemistry) online kiadásában megjelent cikkükben a kutatók megjegyzik, hogy ez a spontán fúzió vagy ligáció egyszerű módja annak, hogy az RNS leküzdje a növekedés kezdeti akadályait, és biológiailag jelentős méretet érjen el. Nagyjából 100 nukleotidos hosszúság körül ugyanis az RNS-molekulák funkcionális, háromdimenziós alakzatokba kezdenek rendeződni.

Ribonukleotid egyszerű vegyületekből

Az RNS-világ léte ellen fölhozott másik gyakori érv sokáig az volt, hogy az RNS alapvető építőköveit, a ribonukleotidokat sem sikerült előállítani egyszerűbb kémia alkotórészekből. Ezt a problémát brit kémikusok oldották meg a közelmúltban. John Sutherlandnek és munkatársainak a Manchesteri Egyetemen sikerült laboratóriumban egyszerű vegyületekből létrehozniuk az RNS építőkövét, egy ribonukleotidot olyan körülmények között, amelyek feltehetően az ősi Földön is uralkodtak.

A ribonukleotidok három jól elkülöníthető részből épülnek fel: egy ribóz nevű cukorból, egy foszfátcsoportból és egy bázisból, amely lehet pirimidin (citozin vagy uracil) vagy purin (guanin vagy adenin). Miközben a kémikusok azon tűnődtek, hogyan alakulhat ki spontán módon egy ilyen polimer, arra gondoltak, hogy valószínűleg az alegységek állnak össze először, majd ezek kapcsolódnak össze ribonukleotiddá. Ám még a laboratórium ellenőrzött atmoszférájában is kudarcot vallottak a ribóz és a bázis összekapcsolásával.

Az RNS-szintézis korábbi próbálkozásai azon buktak meg, hogy a vegyészeknek nem sikerült összekapcsolniuk a ribózt és a bázist. Sutherlandnek és csoportjának köztes molekulák segítségével sikerült áthidalniuk az akadályt

A manchesteri kutatóknak viszont most sikerült szintetizálniuk mindkét pirimidintartalmú ribonukleotidot. A megoldás az volt, hogy a kutatók nem önálló ribóz és bázis alegységeket hoztak létre. Sutherland csoportja egy olyan molekulát készített, amelynek váza a ribóz-bázis kapcsolódás szempontjából kulcsfontosságú kötést tartalmazott. Ezután további atomokat adtak körbe a vázhoz, amely végül ribonukleotiddá nyílt szét.

A végső lépés a foszfátcsoport hozzáadása. De a foszfát, noha csupán egy reagens a folyamat végső szakaszában, az egész szintézist befolyásolja. A savasság pufferelésével és katalizátorként viselkedve a megfelelő kötések kialakítására "ösztönzi" a kis szerves molekulákat.

Az RNS-világ "alkonya"

Az új eredmények alapján is lehetséges tehát, hogy a genetikai információ másolását, az élethez szükséges egyik alapvető folyamatot egykor az enzimaktivitású RNS-molekulák látták el, s ugyancsak RNS-molekulák hordozták a genetikai információt is. Egy fenékkel (molekuláris szerkezettel) azonban nem lehet két lovat megülni, így az RNS-világnak idővel bealkonyult.

Az RNS és a DNS molekulaszerkezetének összehasonlítása

Az élet ugyanis "rájött" arra, hogy a genetikai állomány tárolása sokkal biztonságosabb, ha az információt hordozó szerves bázisokat két stabil molekulalánc közé zárja be (a DNS két cukorfoszfát lánca közé, lásd a fenti ábrán), amely így jóval kevésbé van kitéve a környezet ártalmainak. A DNS-molekulák megjelenése után tehát az RNS már nem bizonyult elég "megbízhatónak" (stabilnak) ahhoz, hogy felvegye az információtárolásért folyó versenyt egy jóval konzervatívabb molekulatípussal.

DNS-szerű molekula szintetizálása

Az RNS-világból a "DNS-világba" való átmenettel szintén számos kutatás foglalkozott már. A DNS viszonylag összetett szerkezetét azonban még nehezebb összhangba hozni a genetikai rendszerek spontán eredetével, mint az RNS-ét. Több nukleinsav-analógról beszámoltak már, de enzimek hiányában egészen mostanáig egyik sem volt képes reagálni a szelekciós nyomásokra.

A kaliforniai Scripps Kutatóintézet munkatársainak nemrég sikerült olyan nukleinsav-analógokat (peptidnukleinsavakat, PNS-eket) előállítani, amelynek alkotórészei önmaguktól hatékonyan összekapcsolódtak (reverzibilis kovalens kötésekkel, részletesen lásd a keretes írásunkat). A folyamathoz nem volt szükség semmilyen enzimre. Ráadásul a kialakult szakaszok (oligomerek) képesek voltak dinamikus szekvenciamódosulásokra az oldatban lévő templátok (mintaként szolgáló molekulák) megváltoztatásának hatására. Ez a dinamikus szekvenciajavítás és -adaptáció már az élő rendszerek jellemző tulajdonsága.

A PNS és a DNS vázlatos szerkezetének összehasonlítása

Mivel az így összeállított ún. tPNS-ek (tioészter-peptid-nukleinsavak) minden kémiai alkotórésze megtalálható volt a Földön az élet kezdete előtt, nem lehetetlen, hogy az ősi genetikai rendszerekben ilyen peptidekből és nukleinsavakból álló molekulák játszották a főszerepet. Ezekből fejlődhettek azután ki a ma ismert - szintézisüknél, replikációjuknál enzimek közreműködését igénylő - örökítő rendszerek.

Peptidnukleinsavak szintézise

Míg a DNS-analógokkal - amilyen a PNS (peptidnukleinsav) - kapcsolatos korábbi kísérletek azokra nukleobázisokra (adenin, timin, citozin, guanin) fókuszáltak, amelyek már kapcsolódtak a molekulagerincet alkotó egységekhez, Reza Ghadiri, a kaliforniai Scripps Kutatóintézet kémikusa munkatársaival egyszerűbb építőelemeket alkalmazott új kutatásukhoz. Amennyiben ezeknek az építőköveknek lazák a kötéseik (a DNS és a PNS kötéseivel ellentétben), akkor a szintézisnél nélkülözni lehet az enzimeket, miközben megmaradnak a kódolt információ fő jellegzetességei.

Ghadiri és munkatársai először egy rövid gerincet készítettek két aminosav (dipeptid) ismétlődő egységeiből. Az egyik aminosav a cisztein volt. A kutatók ezután képesek voltak hozzákapcsolni a gerinchez a DNS-ben megtalálható nukleobázisokat úgy, hogy a bázisokhoz egy szerves vegyületet, úgynevezett tioésztert kötöttek. A kísérletben adenin-tioésztert használtak, amely reverzibilisen (visszafordíthatóan) reagált a gerincben lévő ciszteinnel, és egy tioészter-peptid-nukleinsav (tPNS) nevű molekula jött létre, ahol az adenin bázisok ugyanolyan létrafokokat alkottak, mint a DNS-ben.

A Watson-Crick szabály szerint a DNS-ben az adenin csak timinnel párosodik. Amikor a kutatók 20 timinbázisból álló rövid DNS-darabkát adtak a keverékhez, akkor ez összekapcsolódott az általuk szintetizált tPNS-sel. Más, nem komplemeter bázisokból álló DNS-darabokkal viszont nem kötődött össze. Ez azt mutatja, hogy a tPNS - a DNS-hez hasonlóan - csak komplementer bázispárokkal kapcsolódik.

A tioészterkötés reverzibilis jellege miatt azonban a bázisok leválhatnak és visszakötődhetnek a peptidgerincre. Ez azt jelenti, hogy a tPNS képes átszervezni magát egészen addig, amíg meg nem felel a szekvenciája a hozzáadott DNS-templát molekuláénak. Attól függően, hogy milyen templát van az oldatban, a nukleobázisok úgy állnak össze, hogy komplementer rendszert alkossanak. "Ez az első példája egy nukleinsavszerkezet által kiváltott szekvenciaadaptációnak" - jelentette ki Ghadiri a Science-ben megjelent cikkében.

A kutatócsoportnak azt is sikerült kimutatnia, hogy a tPNS lánc képes templátként viselkedni, azaz elő tudja idézni a komplementer tPNS kialakulását és a szálak párosodását. A végső célt - a tPNS önálló replikációját - azonban még nem sikerült elérni.

Mivel a most összeállított tPNS minden kémiai alkotórésze megtalálható volt a Földön az élet kezdete előtt, nem lehetetlen, hogy az ősi genetikai rendszerekben ilyen peptidekből és nukleinsavakból álló molekulák játszották a főszerepet.

A fenti kísérletekről megkérdeztük Szathmáry Eörs professzor, a Collegium Budapest és az Eötvös Loránd Tudományegyetem tanára véleményét, aki évtizedek óta foglalkozik az élet eredetének és evolúciójának kutatásával. Szathmáry elmondta, hogy a hosszú nukleinsavláncok replikációjával kapcsolatban a következő problémákra kell még választ találni.

1. A spontán elongáció (lánchosszabbodás) nem kérdés többé, de a hosszú láncok replikációja igen, mert nem válnak szét spontán. Az ionerősség vagy a hőmérséklet periodikus váltakozása - szemben az intuícióval - nem oldja meg a problémát, ezzel bővebben a Journal of Molecular Evolution folyóirat 2007/64. számában foglalkoztak.

2. Még ha az előző kérdés megoldott is, marad az Eigen-féle hibaküszöb problémája, vagyis a korai replikáció szükségképpen nagyon pontatlan, és így a szelekció nem tud fönntartani hosszú szálakat. Erre szintén javasoltok részleges megoldást a Nature Genetics 2005/37-es számában, de a teljes megoldástól még messze vannak.

3. Még ha az előző probléma meg is oldódott, marad a ribozimes replikáció problémája. Sokféle ribozimet előállítottak már, de replikázunk nincs. A legjobb polimeráz (és nem replikáz) kb. 14 nukleotid hosszan tud templátot másolni, miközben maga több mint 200 nukleotid hosszú! Ez is komoly probléma az RNS-világ híveinek.