كشف أسرار الحياة بالشفرة القديمة للـ RNA

نشره علماء سالك الحمض النووي الريبي تتيح هذه القدرات التطور الدارويني على المستوى الجزيئي، وتقرب الباحثين من إنشاء حياة مستقلة للحمض النووي الريبوزي (RNA) في المختبر.

وصف تشارلز داروين التطور بأنه “النسب مع التعديل”. المعلومات الوراثية في النموذج الحمض النووي يتم نسخ التسلسلات ونقلها من جيل إلى جيل. لكن هذه العملية يجب أن تكون مرنة إلى حد ما، مما يسمح بحدوث اختلافات طفيفة في الجينات بمرور الوقت وإدخال سمات جديدة في التجمعات السكانية.

ولكن كيف بدأ كل ذلك؟ هل كان من الممكن أن يحدث تطور مماثل على نطاق أبسط عند نشأة الحياة، قبل وقت طويل من ظهور الخلايا والبروتينات والحمض النووي؟ في ستينيات القرن الماضي، اقترح العلماء، بما في ذلك زميلة سالك ليزلي أوركل، أن الحياة بدأت مع “عالم الحمض النووي الريبوزي”، وهو عصر افتراضي حكمت فيه جزيئات الحمض النووي الريبي الصغيرة والخيطية الأرض المبكرة وأنشأت آليات التطور الداروينية.

تنحرف تسلسلات رأس المطرقة المنسوخة بواسطة بوليميرات منخفضة الدقة عن تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) الأصلي الخاص بها (في الأعلى) وتفقد نشاطها بمرور الوقت. تحتفظ رؤوس المطرقة عالية الدقة المستحثة بالبوليميراز بالنشاط وتولد تسلسلات أكثر ملاءمة (أسفل). الائتمان: معهد سالك

بحث رائد حول دور الحمض النووي الريبي (RNA) في التطور المبكر

يقدم بحث جديد في معهد سالك الآن رؤى جديدة حول أصول الحياة، ويقدم أدلة قوية تدعم فرضية عالم الحمض النووي الريبوزي (RNA World). دراسة، منشورة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS). في 4 مارس 2024، نشر إنزيم الحمض النووي الريبوزي (RNA) الذي يمكنه عمل نسخ دقيقة من خيوط الحمض النووي الريبي (RNA) الوظيفية الأخرى، مع السماح لمتغيرات جديدة للجزيء بالظهور بمرور الوقت. تشير هذه القدرات الرائعة إلى أن الأشكال الأولى من التطور ربما حدثت على المستوى الجزيئي في الحمض النووي الريبي (RNA).

هذه النتائج تقرب العلماء خطوة أخرى من إعادة إنشاء الحياة القائمة على الحمض النووي الريبوزي (RNA) في المختبر. ومن خلال نمذجة هذه البيئات البدائية في المختبر، يستطيع العلماء اختبار الفرضيات بشكل مباشر حول كيفية بدء الحياة على الأرض أو على الكواكب الأخرى.

يقول جيرالد جويس، كبير المؤلفين ورئيس مؤسسة سالك: “إننا نطارد فجر التطور”. “من خلال الكشف عن هذه القدرات الجديدة للحمض النووي الريبوزي (RNA)، نكشف كيف يمكن للجزيئات البسيطة أن مهدت الطريق للأصل المحتمل للحياة وتعقيد وتنوع الحياة الذي نراه اليوم”.

تُظهِر مخططات التشتت التطور السكاني لرؤوس المطرقة على مدار عدة جولات من التطور. تنحرف رؤوس المطرقة المنسوخة بواسطة بوليميراز منخفض الدقة (52-2) عن تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) الأصلي (الخطوط البيضاء) وتفقد نشاطها. تحتفظ رؤوس المطرقة المكررة بواسطة بوليميرات جديدة عالية الدقة (71-89) بوظيفتها، مع ظهور تسلسلات وظيفية جديدة بمرور الوقت. الائتمان: معهد سالك

البحث عن وظيفة RNA الفريدة ودقة النسخ

يمكن للعلماء استخدام الحمض النووي لتتبع تاريخ التطور من النباتات والحيوانات الحديثة إلى أقدم الكائنات الحية وحيدة الخلية. لكن ما حدث قبل ذلك غير واضح. تعتبر حلزونات الحمض النووي مزدوجة الجديلة ممتازة في تخزين المعلومات الوراثية. في نهاية المطاف، تقوم العديد من هذه الجينات بتشفير البروتينات، وهي آلات جزيئية معقدة تؤدي جميع أنواع الوظائف للحفاظ على حياة الخلايا. خصوصية الحمض النووي الريبوزي (RNA) هي أن هذه الجزيئات يمكنها القيام بالقليل من كلا الأمرين. وتتكون من تسلسلات نيوكليوتيدية ممتدة، تشبه الحمض النووي، ولكنها يمكن أن تعمل أيضًا كأنزيمات لتسهيل التفاعلات، على غرار البروتينات. إذًا، هل من الممكن أن يكون الحمض النووي الريبي (RNA) بمثابة مقدمة للحياة كما نعرفها؟

لقد كان العلماء مثل جويس يستكشفون هذه الفكرة لسنوات، وخاصة ريبزيمات بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA بوليميراز) – وهي جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) التي يمكنها عمل نسخ من خيوط الحمض النووي الريبي (RNA) الأخرى. على مدى العقد الماضي، عمل جويس وفريقه على تطوير ريبزيمات بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA) في المختبر، باستخدام شكل من أشكال التطور الموجه لإنشاء إصدارات جديدة قادرة على تكرار جزيئات أكبر. لكن معظمها جاء مع عيب قاتل: لم يتمكنوا من تكرار تسلسلات كافية دقة. على مدى عدة أجيال، يتم إدخال العديد من الأخطاء في التسلسل، مما يؤدي إلى عدم ظهور خيوط الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي لم تعد تشبه التسلسل الأصلي وفقدت وظيفتها تمامًا.

الى الآن. يشتمل أحدث ريبوزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) الذي تم تطويره في المختبر على العديد من الطفرات الحرجة التي تسمح له بنسخ شريط من الحمض النووي الريبي (RNA) بدقة أكبر.

من اليسار: ديفيد هورنينج وجيرالد جويس ونيكولاس باباستافرو. الائتمان: معهد سالك

في هذه التجارب، يكون شريط الحمض النووي الريبوزي (RNA) الذي يتم نسخه بمثابة “مطرقة”، وهو جزيء صغير يكسر جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الأخرى إلى قطع. تفاجأ الباحثون عندما اكتشفوا أن ريبوزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) لم يحاكي رأس المطرقة الوظيفي بدقة فحسب، بل بدأت أنواع جديدة من رأس المطرقة في الظهور بمرور الوقت. عملت هذه المتغيرات الجديدة بشكل مشابه، لكن طفراتها جعلت تكاثرها أسهل، مما زاد من لياقتها التطورية وأدى في النهاية إلى الهيمنة على سكان رأس المطرقة في المختبر.

يقول المؤلف الأول نيكولاس باباستافرو، وهو باحث مشارك في مختبر جويس: “كانت الحياة بسيطة للغاية في بداياتها، وكان لديها القدرة على البدء في تحسين نفسها”. “تشير هذه الدراسة إلى أن فجر التطور ربما كان أبكر بكثير وأبسط بكثير. ربما يكون هناك شيء ما على مستوى الجزيئات الفردية هو الذي دفع التطور الدارويني إلى الحركة، وربما كان الشرارة التي سمحت للحياة بأن تصبح أكثر تعقيدًا، من الجزيئات إلى الخلايا إلى الكائنات متعددة الخلايا.

تسلط النتائج الضوء على الأهمية الحاسمة للإخلاص التكراري في جعل التطور ممكنًا. يجب أن تتجاوز دقة نسخ بوليميراز الحمض النووي الريبي عتبة حرجة للحفاظ على المعلومات الوراثية على مدى أجيال عديدة، وسوف ترتفع هذه العتبة مع زيادة حجم الحمض النووي الريبي المتطور وتعقيده.

أبحاث الحمض النووي الريبي ومستقبل الحياة المستقلة

يقوم فريق جويس بإعادة إنتاج هذه العملية في أنابيب الاختبار المعملية، مما يزيد الضغط الانتقائي على النظام لإنتاج بوليميرازات ذات أداء أفضل، بهدف إنتاج بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يمكنه تكرار نفسه في يوم من الأيام. يمكن أن يمثل هذا بداية حياة الحمض النووي الريبوزي المستقلة في المختبر، والتي يقول الباحثون إنه يمكن تحقيقها خلال العقد المقبل.

يهتم العلماء بما يمكن أن يحدث عندما يصبح “عالم الحمض النووي الريبوزي” الصغير هذا أكثر استقلالية.

“لقد رأينا أن ضغط الاختيار يمكن أن يعزز الحمض النووي الريبوزي (RNA) بوظائف موجودة، ولكن إذا سمحنا للنظام بالتطور على مدى فترة زمنية أطول مع مجموعات أكبر من جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA)، فهل يمكن اكتشاف وظائف جديدة؟” يقول المؤلف المشارك ديفيد هورنينج، وهو عالم في مختبر جويس. “باستخدام الأدوات التي تم تطويرها هنا في سالك، نحن متحمسون للإجابة على كيف يمكن للحياة المبكرة أن تحسن تعقيداتها.”

يمكن للطرق المستخدمة في مختبر جويس أن تمهد الطريق لتجارب مستقبلية لاختبار أفكار أخرى حول أصل الحياة، بما في ذلك الظروف البيئية التي تدعم تطور الحمض النووي الريبي (RNA) على الأرض والكواكب الأخرى بشكل أفضل.

ملاحظة: نيكولا باباستافرو، ديفيد ب. هورنينغ وجيرالد ف. جويس، 4 مارس 2024، “التطور التحفيزي للحمض النووي الريبي المحفز بالحمض النووي الريبي” وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2321592121

العمل مدعوم من ناسا (80NSSC22K0973) ومؤسسة سيمونز (287624).