Badania procesu translacji kodu RNA oraz aminokwasów rzucają światło na to, jak reakcje chemiczne między nimi przyczyniły się do powstania organizmów żywych.
Wśród środowisk naukowych uznaje się, że 3,6 miliarda lat temu zaistniał ostatni uniwersalny wspólny przodek wszystkich stworzeń na Ziemi (LUCA). Najprawdopodobniej był to jednokomórkowiec, mający kilkaset genów i wszystkie podstawowe związki wchodzące w skład współczesnych organizmów – na przykład lipidy. Posiadał też wykształcone mechanizmy replikacji DNA, transkrypcji RNA oraz syntezy białek. Prześledzenie późniejszej ewolucji, począwszy od tej formy życia, jest względnie proste. Lecz pozostaje nurtujące pytanie – co w ogóle doprowadziło do ukształtowania się LUCA? Szacuje się, że około 4 miliardów lat temu w zupie pierwotnej, chaotycznej mieszaninie związków chemicznych, powstały aminokwasy i białka. Jak doszło to tego, że stały się podstawą prostych komórek organicznych, protoplastów roślin i zwierząt?
Zagadnieniem od lat interesują się Charles Carter oraz Richard Wolfenden z University of North Carolina (USA). Jak twierdzi Carter, który jest profesorem biochemii i biofizyki, badacze nie mają jeszcze pomysłu na to, jak odnaleźć najważniejsze z brakujących fragmentów układanki pomiędzy pierwszymi proteinami a LUCĄ. Skupili się wiec na mniejszym elemencie, bliżej poznanym przez naukę – aminokwasach oraz kwasach rybonukleinowych (RNA). Ich funkcje i struktury są różnorodne, zależne od sekwencji nukleotydów (uszeregowanego ciągu zasad azotowych). Do RNA należy między innymi przenoszenie przepisanych informacji genetycznych (matrycowe), branie udziału w syntezie (rybosomalne) i transporcie (transferowe) białek; zastępuje on też DNA w roli materiału genetycznego u retrowirusów.
Pierwsze odkrycia Cartera i Wolfendena ujawniły bliski związek pomiędzy cechami fizycznymi aminokwasów, kodem genetycznym oraz fałdowaniem białek. Eksperymenty miały na celu uzyskanie danych o polarności dwudziestu aminokwasów. W laboratorium poddano te związki organiczne szerokiemu zakresowi temperatur i obserwowano zmieniające się rozmieszczenie cząsteczek pomiędzy olejem i wodą. Znajomość rozmiaru i polarności danych aminokwasów jest konieczna do zrozumienia ich zachowania w pofałdowanych białkach, które powstają, gdy skłębiony łańcuch polipeptydowy uzyskuje stabilną, charakterystyczną dla niego trójwymiarową strukturę o specyficznych właściwościach. Polarność cząsteczek aminokwasów zmieniała się wskutek temperatur w sposób nie burzący podstawowej zależności pomiędzy kodowaniem genetycznym a fałdowaniem białek. Pozwala to przypuszczać że 4 miliardy lat temu, kiedy na Ziemi było prawdopodobnie znacznie goręcej niż obecnie, te procesy mogły się swobodnie odbywać.
Najnowsze badania skupiły się rozpoznawaniu transferowego kwasu rybonukleinowego (tRNA), który ma strukturę przypominającą literę L, przez enzym aminoacylo-tRNA. Rolą enzymu jest przyłączanie wolnych aminokwasów i transportowanie ich do rybosomów, zaś wspomniane enzymy biorą udział w translacji kodu genetycznego – każdy z nich pasuje do jednego z dwudziestu aminokwasów i doczepia je w odpowiednim miejscu na rybosomie. Carter zauważył, że obydwa ramiona tRNA zawierają niezależny kod lub kierują się pewnymi zasadami przy wyborze konkretnych aminokwasów. Końcówka cząsteczki, do której są dołączane te związki, dobiera je według rozmiaru. Na drugim końcu znajduje się antykodon, który odczytuje z kodonu sekwencję trzech nukleotydów w paśmie mRNA, wychwytując aminokwasy zgodnie z polarnością. Powyższe obserwacje wskazują, że fizyczne właściwości aminokwasów w interakcji z transferowym RNA odgrywały dużą rolę w formowaniu białek na naszej planecie kilka miliardów lat temu, a zasady zachowywane przy ich przyłączaniu sugerują, że początkowe białka mogły mieć bardzo prostą strukturę, a bardziej skomplikowane pojawiły się później.
Analiza Cartera i Wolfendena stawia pod znakiem zapytania teorię „świata RNA”, według której istniała faza rozwoju życia, w której kwas rybonukleinowy wyłonił się bezpośrednio z pierwotnej zupy, przyczynił się do powstania peptydów, a potem także organizmów jednokomórkowych, pełniąc u nich rolę nośnika genów (jak u wspomnianych retrowirusów), oraz zastępował enzymy. Wyniki badań amerykańskich biologów wskazują prawdopodobieństwo istnienia wcześniejszej, prymitywnej wersji kodu – wzajemnego oddziaływania aminokwasów i nukleotydów, co stanowiło istotny czynnik w powstaniu RNA i miało wpływ na jego późniejsze interakcje z peptydami. Obaj naukowcy sądzą jednak, że RNA nie miało samodzielnego udziału w powyższych procesach; co więcej, równie prawdopodobne jest, że to peptydy były pierwsze i to one były katalizatorami przy tworzeniu RNA.
[Źródło: Phys.org; Zdjęcia: Phys.org, Online Science, Exrna]
