كيف نجت الجزيئات الأولى من الظروف البدائية للأرض

تقدم دراسة جديدة نظرة ثاقبة لأصول الحياة

يبقى أصل الحياة لغزا عميقا. كيف تتشكل الجزيئات المعقدة وتظل مستقرة لفترات طويلة من الزمن دون أن تتحلل؟ قام فريق من ORIGINS، وهي مجموعة من التميز مقرها ميونيخ، بتحديد الآلية التي ربما تكون هي التي سمحت بالأصل. الحمض النووي الريبي استقرار الجزيئات في الحساء البدائي. ووجدوا أنه عندما يجتمع شريطان من الحمض النووي الريبوزي (RNA) معًا، فإن استقرارهما وعمرهما يزدادان بشكل ملحوظ.

في جميع الاحتمالات، بدأت الحياة على الأرض في الماء، ربما في بركة مد وجزر كانت معزولة عن مياه البحر عند انخفاض المد ولكنها غمرتها المد والجزر عند ارتفاع المد. على مدى مليارات السنين، تكونت الجزيئات المعقدة وما إلى ذلك الحمض النووي، قبل أن يتكون الحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات في هذا النظام، وفي النهاية ظهرت الخلايا الأولى. ومع ذلك، حتى الآن لم يتمكن أحد من شرح كيف حدث هذا بالضبط.

يقول جاب بوكوفن، أستاذ الكيمياء فوق الجزيئية في جامعة ميونيخ التقنية (TUM): “نحن نعرف الجزيئات التي كانت موجودة على الأرض في وقت مبكر”. “السؤال هو: هل يمكننا استخدامه لتقليد أصل الحياة في المختبر؟” تهتم مجموعة بقيادة Boekhoven في ORIGINS Cluster of Excellence في المقام الأول بالحمض النووي الريبي (RNA). يقول بوجوفن: “إن الحمض النووي الريبي (RNA) هو جزيء رائع”. “يمكنه تخزين المعلومات وتحفيز التفاعلات الكيميائية الحيوية.” لذلك، يعتقد العلماء أن الحمض النووي الريبوزي (RNA) لا بد أن يكون قد تطور في المقام الأول على شكل جزيئات معقدة.

لكن المشكلة هي أن جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) النشطة تحتوي على مئات أو آلاف القواعد وهي غير مستقرة إلى حد كبير. عند غمرها في الماء، تتحلل خيوط الحمض النووي الريبوزي (RNA) بسرعة إلى الأجزاء المكونة لها – وهي عملية تسمى التحلل المائي. إذًا، كيف نجا الحمض النووي الريبوزي (RNA) في الحساء البدائي؟

كيف تطورت الخيوط المزدوجة في الحساء البدائي؟

في تجربة معملية، استخدم الباحثون من TUM وLMU نظامًا نموذجيًا لقواعد الحمض النووي الريبي (RNA) التي تتحد بسهولة أكبر من القواعد الموجودة بشكل طبيعي في خلايانا اليوم. يوضح بويخوفن: “لم يكن لدينا ملايين السنين وأردنا الحصول على إجابة في أقرب وقت ممكن”. أضاف الفريق قواعد الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي تتجمع بسرعة إلى محلول مائي، ووفر مصدرًا للطاقة، وقام بدراسة طول جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) المتكونة. وكانت النتائج التي توصلوا إليها مثيرة للقلق، مما أدى إلى بقاء خيوط من خمسة أزواج أساسية على قيد الحياة لبضع دقائق فقط.

ومع ذلك، كانت النتائج مختلفة عندما بدأ الباحثون بإضافة خيوط قصيرة من الحمض النووي الريبي المشكل مسبقًا. ترتبط المواقع التكميلية الحرة بسرعة مع هذا الحمض النووي الريبي (RNA) في عملية تعرف باسم التهجين. تم تشكيل خيوط مزدوجة يبلغ طولها من ثلاثة إلى خمسة أزواج أساسية وظلت مستقرة لعدة ساعات. يشرح بوجوفن: “الجزء المثير هو أن الحمض النووي الريبوزي المزدوج يمكن أن يؤدي إلى الطي، مما يجعل الحمض النووي الريبي نشطًا تحفيزيًا”. ولذلك فإن الحمض النووي الريبوزي المزدوج الشريط له ميزتان: فهو يتمتع بعمر ممتد في الحساء البدائي ويعمل كقاعدة للحمض النووي الريبوزي النشط تحفيزيًا.

ولكن كيف يمكن للخيط المزدوج أن يتطور في الحساء البدائي؟ يقول بوجوفن: “نحن نحقق حاليًا فيما إذا كان من الممكن للـ RNA أن تصنع شريطًا تكميليًا خاصًا بها”. من الممكن أن يتحد جزيء ذو ثلاث قواعد مع جزيء له ثلاث قواعد تكميلية، ويكون المنتج عبارة عن شريط مزدوج مستقر. بفضل طول عمره، يمكن أن ينضم إليه المزيد من المواقع وينمو الخيط.

الميزة التطورية للخلايا الأولية

ربما تكون إحدى الخصائص الأخرى للحمض النووي الريبوزي المزدوج (RNA) المزدوج قد ساعدت في نشوء أصل الحياة. لاحظ أولاً أن جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) يمكنها أيضًا تكوين خلايا أولية. وهي عبارة عن قطرات ماء صغيرة ذات جزء داخلي منفصل تمامًا عن العالم الخارجي. ومع ذلك، لا تحتوي هذه البروتوكولات على أغشية خلايا مستقرة، ويمكن دمجها بسهولة مع البروتوكولات الأخرى، مما يتسبب في اختلاط محتوياتها. وهذا لا يفضي إلى التطور لأنه يمنع الأخلاق الفردية من تشكيل هوية فريدة. ومع ذلك، إذا كانت حدود هذه الخلايا الأولية مكونة من DNA مزدوج الشريط، تصبح الخلايا أكثر استقرارًا ويتم منع الاندماج.

ينطبق الذكاء أيضًا على الطب

في المستقبل، يأمل جوب بوجوف في تعزيز فهمنا لتكوين وتثبيت جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) الأولى. يقول بوجوفن: “يعتقد البعض أن هذا البحث مجرد هواية. خلال جائحة كوفيد-19، رأى الجميع مدى أهمية جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA)، بما في ذلك اللقاحات”.

المرجع: كريستين إم إي كريبيش، لودفيج برجر، أوليكسي زوزوليا، ميشيل ستاسي، ألكسندر فلوروني، ديتر براون، أولريش جيرلاند، وجوب بويخوفن، يوليو 2024، “النسخ المتماثل القائم على القالب في المكتبات التوافقية الديناميكية التي تعمل بالوقود الكيميائي.” الكيمياء الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41557-024-01570-5