دستور اولیه سوپ ژن ممکن است ساده بوده باشد - باران، ترکیبی از مولکول های رایج، آفتاب گرم و خنک شدن شبانه. سپس کمی قوام دهنده اضافه کنید.
محققان موسسه فناوری جورجیا دریافتند که آخرین عنصر ممکن است به رشته‌های ژن مانند کمک کرده باشد تا برای اولین بار از خود در گودال‌ها کپی کنند، میلیاردها سال پیش که زمین فاقد حیات بود. اکتشافات جدید آنها به مجموعه‌ای از شواهد فزاینده اضافه می‌کند که نشان می‌دهد زندگی اول ممکن است با سهولت نسبی در اینجا و احتمالاً در جای دیگر جهان تکامل یافته باشد.
و آنها پاسخی سرراست به یک سوال 50 ساله می دهند: چگونه پیش سازهای کد ژنتیکی امروزی قبل از وجود آنزیم هایی که امروزه برای آن فرآیند ضروری هستند، ابتدا خود را تکرار کردند؟
ادویه زندگی؟
برای چندین نسل، دانشمندانی که به دنبال پاسخ بودند، آزمایشاتی را در آب انجام دادند اما به دیوار برخورد کردند.
محققان جورجیا تک، کریستین هه و آیزاک گالگو با افزودن یک حلال چسبناک (قطع کننده) بر این مشکل غلبه کردند. در آزمایش‌های جداگانه با DNA و سپس RNA، فرآیند کپی کردن ادامه یافت.
محقق He گفت: "من فکر می کنم این بسیار بسیار متفاوت از هر کاری است که قبلا انجام شده است." ما می‌توانیم محیط فیزیکی را به روشی آسان تغییر دهیم و این فرآیندها را ترویج دهیم که در شرایطی که معمولاً مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، اتفاق نمی‌افتند.»
دستور پخت آسان
مارتا گروور، پروفسوری که بر این پژوهش در دانشکده مهندسی شیمی و بیومولکولی جورجیا تک نظارت داشت، گفت: آسان بسیار مهم است. واکنش‌های آسان احتمالاً مؤثرتر و شایع‌تر هستند.
"فرآیندی ساده و قوی مانند این می‌توانست در محیط‌ها و غلظت‌های مختلف عمل کند و آن را در پیشبرد تکامل واقعی‌تر کند."
آزمایشگاه گروور و نیک هاد در دانشکده شیمی و بیوشیمی جورجیا تک نتایج را در روز دوشنبه 10 اکتبر 2016 در مجله Nature Chemistry منتشر کردند. تحقیقات آنها توسط بنیاد ملی علوم و برنامه اختر زیست شناسی ناسا تحت مرکز NASA/NSF برای تکامل شیمیایی تامین مالی شده است.
نودل نوکلئوتیدی
طبق فرضیه ای به نام جهان RNA، اولین زندگی بر اساس RNA یا پلیمری مشابه بود. در آن سناریو، در جدول زمانی تکاملی، خود همانندسازی رشته‌های RNA به اندازه‌ای طولانی که ژن‌های بالقوه باشند، تقریباً آستانه زندگی را نشان می‌دهد.
آن زنجیره های نوکلئوتیدی طولانی ممکن است در گودال هایی با زنجیره های نوکلئوتیدی کوتاه تر با هم مخلوط شده باشند. گرمای خورشید باعث می‌شد تا رشته‌های بلند از ساختارهای مارپیچ خود جدا شوند و به رشته‌های کوتاه فرصت تطابق با آنها و تبدیل شدن به نسخه‌های آنها را بدهد.
اما یک مشکل وجود دارد.
تنها در آب، وقتی خنک‌سازی شروع می‌شود، زنجیره‌های بلند آنقدر سریع به ساختار مارپیچ خود باز می‌گردند که زمانی برای فرآیند تطبیق با زنجیره‌های کوتاه‌تر وجود ندارد. این بسته شدن که هم در RNA و هم در DNA اتفاق می‌افتد، «بازداری رشته» نامیده می‌شود و در سلول‌های زنده، آنزیم‌ها مشکل جدا نگه داشتن زنجیره‌های بلند را در حالی که رشته‌های ژن تکرار می‌کنند، حل می‌کنند.
بیشتر شبیه خورش
هی دستیار پژوهشی فارغ التحصیل گفت: «مشکل مشکلی در آب است که همه به نوعی در شیمی پری بیوتیک (پیش از زندگی) به آن نگاه می کنند. او احساس کرد که زمان آن رسیده است که در این مورد تجدید نظر کند، و تخصص او در مهندسی شیمی کمک کرد.
ویسکوزیته بالا برای کند کردن حرکت رشته های طولانی DNA، RNA و سایر پلیمرها شناخته شده است.
گروور گفت: "این کمی شبیه به شنا کردن آنها در عسل است." بکار بردن آن در شیمی منشأ حیات بدیهی به نظر می رسید، زیرا در دوران پری بیوتیک، احتمالاً تعداد زیادی گودال های چسبنده وجود داشت.
محقق او گفت: "در این محلول، به نوکلئوتیدهای کوتاه که سریعتر حرکت می کنند، زمان می دهد تا روی رشته بلند بپرند و تکراری از رشته بلند را کنار هم بگذارند." در آزمایشات او، کارساز بود.
گیره مو در سوپ
و شگفتی دلگرم کننده ای ایجاد کرد. رشته های DNA و RNA روی خود تا می شوند و شکل هایی به نام سنجاق سر را تشکیل می دهند.
"کریستین او گفت: "در ابتدا، ما اهمیت ساختار داخلی را درک نکردیم." سپس متوجه شدند که این شکل به حفظ RNA و DNA برای فرآیند جفت شدن کمک می کند. گروور گفت: «تشکیل سنجاق برای باز نگه داشتن آنها ضروری است.»
اما همچنین می تواند تکامل شیمیایی را به روش دیگری تسریع کند. محقق He گفت: "راه حل در اینجا انتخاب توالی هایی است که تا می شوند و پتانسیل بیشتری برای فعالیت عملکردی دارند - مانند ریبوزیم."
ریبوزیم ها آنزیم هایی هستند که از RNA ساخته شده اند و آنزیم ها فرآیندهای بیوشیمیایی را کاتالیز می کنند. تکامل آنها در همان راه حلی که تکثیر کد ژنتیکی را ترویج می کند، می تواند مسیر زندگی اول را کوتاه کند.
"گروور گفت: "شما واقعاً باید دنباله های عملکردی را تقویت کنید تا تکامل به جلو حرکت کند." چین‌ها یک عارضه جانبی غیرمنتظره بودند و یافتن آنها راه را برای تحقیقات آینده هموار می‌کند.
مواد بعدی؟
دانشمندان جورجیا تک در آزمایشات خود از رشته های ژن واقعی استفاده کردند که ممکن است عادی به نظر برسد، اما در گذشته، برخی از محققان به طور ویژه توالی های DNA و RNA را برای دستیابی به نتایج مشابه مهندسی کرده اند.
استفاده او و گالاگو از یک ژن طبیعی، به جای یک توالی مهندسی شده خاص، نشان می دهد که ویسکوزیته می تواند یک راه حل بسیار کلی برای ترویج کپی برداری از اسیدهای نوکلئیک با طول و توالی مخلوط باشد.
برای تسهیل نتایج سریع و واضح، محققان جورجیا تک از زنجیره های نوکلئوتیدی کوتاه خالص شده استفاده کردند و آنها را در نسبت هایی به کار بردند که به واکنش های مولد کمک می کرد. اما آنها کار خود را با مواد آشفته‌تر و کمتر خالص آغاز کرده بودند و این تجربه ارزشمند بود.
کریستین او گفت: "با توجه به یک سوپ پره بیوتیک، احتمالاً نامرتب است؛ ناخالصی های زیادی دارد." زمانی که ما برای اولین بار با نوکلئوتیدهای ناخالص بیشتری شروع به کار کردیم، هنوز کار می کرد. شاید همین واکنش واقعاً می توانست میلیاردها سال پیش در یک حوضچه درهم و برهم اتفاق بیفتد.»
حلال چسبناک گلیکولین بود، مخلوطی از گلیسرول و کولین کلرید. احتمالاً روی زمین پیش‌زیوتیك وجود نداشت، اما حلال‌های چسبناک دیگر احتمالاً وجود داشتند.
همچنین، پس از تطبیق رشته های کوتاه با هر رشته بلند، محققان از آنزیمی استفاده کردند تا قطعات کوتاه تراز شده را در یک زنجیره بلند در یک فرآیند بیوشیمیایی به نام بستن.
این آنزیم ها روی زمین پری بیوتیک وجود نداشتند، و گروور گفت، اگرچه روش های شیمیایی برای بستن RNA وجود دارد، "هنوز هیچ کس شیمی آنقدر قوی ایجاد نکرده است که بتواند جایگزین آنزیم شود."
پیدا کردن یکی که بتواند روی زمین پری بیوتیک کار کند، هدف ارزشمندی برای تحقیقات بیشتر است.
