Η ιστορία ξεκινά πριν από αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια. Δεν υπάρχει βιολογία, αλλά μόνο χημεία – υπάρχουν, δηλαδή, πολλές χημικές ενώσεις στη Γη, όμως η ζωή δεν έχει ακόμη εμφανιστεί. Και μετά, μια μικροσκοπική μοριακή μηχανή RNA -ανάμεσα σε μυριάδες τυχαία αυτοσυναρμολογούμενες χημικές δομές- εμφανίζεται ως απόλυτα κατάλληλη για τη δημιουργία δεσμών μεταξύ ενεργοποιημένων* αμινοξέων, των δομικών στοιχείων των μελλοντικών πρωτεϊνών.
* ο όρος ενεργοποιημένα αμινοξέα αφορά στην διαδικασία: amino acid activation ή αλλιώς aminoacylation
Αποτελεί σημείο καμπής στην ιστορία του πλανήτη μας: τώρα μπορεί τώρα να ξεκινήσει σύνθεση πρωτεϊνών, των βιολογικών μορίων που είναι απαραίτητα για τη ζωή. Η καθηγήτρια Ada Yonath και η ομάδα της στο “Weizmann Institute of Science”, πιστεύουν ότι έχουν αναδημιουργήσει εκείνη τη στιγμή στο εργαστήριο, δείχνοντας το πώς μπορεί να συνέβη. Όσο για την αρχέγονη μηχανή δημιουργίας πεπτιδικών δεσμών, ανακάλυψαν ότι αυτή εξακολουθεί να υπάρχει σχεδόν σε κάθε κύτταρο των ζωντανών οργανισμών· από βακτήρια έως φυτά και ζώα, συμπεριλαμβανομένου του εαυτού μας.
Η θεωρία πίσω από το εγχείρημα της ομάδας γεννήθηκε πριν από περίπου 20 χρόνια, από τα εκπληκτικά ευρήματα του εργαστηρίου της Yonath, κατά τη διάρκεια μελετών για τον προσδιορισμό της δομής και της λειτουργίας του ριβοσώματος (έρευνα που αργότερα θα της χάριζε το Νόμπελ Χημείας 2009). Το ριβόσωμα εκτελεί μία από τις βασικές διαδικασίες της ζωής: την παραγωγή πρωτεϊνών με βάση τις πληροφορίες στο DNA.
«Ανακαλύψαμε ένα εκπληκτικό χαρακτηριστικό στη δομή αυτής της μηχανής παραγωγής πρωτεϊνών», λέει η Δρ. Anat Bashan, μέλος του εργαστηρίου της Yonath στο “Chemical and Structural Biology Department” του Weizmann. «Το ριβόσωμα είναι ένα τεράστιο μακρομόριο, το οποίο δεν είναι συμμετρικό· στην καρδιά του, περιέχει δύο ημισυμμετρικά στοιχεία που ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν θύλακα».
Η Yonath λέει πως στην ομάδα «είχε κάνει ιδιαίτερη εντύπωση το γεγονός ότι ο θύλακας αυτός βρίσκεται στα ριβοσώματα όλων των οργανισμών. Και είναι εδώ, που λαμβάνει χώρα όλη η δράση – σε αυτόν δημιουργούνται όλοι οι πεπτιδικοί δεσμοί που δημιουργούν την αλυσίδα των συνδεδεμένων αμινοξέων που συνθέτουν μια πρωτεΐνη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτός ο βασικός μηχανισμός φαίνεται να παρέμεινε αμετάβλητος καθ’ όλη τη διάρκεια της εξέλιξης».
Γνωρίστε το πρωτοριβόσωμα: Έτσι αποκαλούν οι επιστήμονες αυτή τη δομή, που μοιάζει με θύλακα. Υπέθεσαν ότι το πρωτοριβόσωμα είναι ο πρόγονος όλων των σύγχρονων ριβοσωμάτων, μία αρχαία μηχανή που χρονολογείται από την προζωική περίοδο. Το πρωτοριβόσωμα είναι μάλλον μικρό, σε σύγκριση με το μέγεθος του κυττάρου. Αποτελείται από μόρια RNA που περιλαμβάνουν περίπου 120 νουκλεοτίδια -κάπου 60 για κάθε ένα από τα δύο ημισυμμετρικά συστατικά του- που αντιστοιχεί σε λιγότερο από το 5% των διαστάσεων του σύγχρονου ριβοσώματος: περίπου 4.500 νουκλεοτίδια στα βακτήρια και σχεδόν 6.000 στον άνθρωπο.
Σύμφωνα με τη Yonath και την ομάδα της, το σενάριο εκτυλίχθηκε κάπως έτσι:
Το πρωτοριβόσωμα προέκυψε όταν κάποιες αλυσίδες νουκλεοτιδίων RNA αυτοσυναρμολογήθηκαν σε δύο ημισυμμετρικά τοιχώματα, τα οποία συνδέθηκαν ώστε να δημιουργήσουν έναν θύλακα. Ατελείωτες άλλες δομές πρέπει να είχαν αυτοσυναρμολογηθεί τυχαία περίπου την ίδια εποχή, αλλά το πρωτοριβόσωμα επέζησε, «έγινε viral», επειδή -απ’ ό,τι φαίνεται- εκτελούσε χρήσιμες λειτουργίες και, χάρη στις εγγενείς δυνατότητες του RNA, μπορούσε να αυτοαναπαραχθεί.
Όταν τύχαινε, δύο ενεργοποιημένα αμινοξέα, να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους μέσα σε αυτόν τον θύλακα, σχημάτιζαν έναν δεσμό, διευκολυνόμενα από τις επικρατούσες χημικές συνθήκες. Αυτά τα αμινοξέα μπορεί να προέκυψαν στη Γη ή, όπως υποστηρίζουν ορισμένοι, να έχουν έρθει με αστεροειδείς από το διάστημα, η προέλευσή τους όμως δεν έχει σχέση με την ιστορία μας. Αυτό που έχει σημασία είναι ότι μέσα στο πρωτοριβόσωμα, δύο ενεργοποιημένα αμινοξέα είχαν την δυνατότητα να συνδεθούν μεταξύ τους. Τέτοιοι σχηματισμοί δεσμών, αργότερα, ένωσαν πολλά περισσότερα αμινοξέα, συνδέοντάς τα σε αλυσίδα.
Αυτή ήταν η αρχή των πρωτεϊνών, μερικές από τις οποίες στη συνέχεια αποδείχθηκαν χρήσιμες στη σταθεροποίηση και την ενίσχυση του ίδιου του πρωτοριβοσώματος. Οι πρωτεΐνες συνέχισαν να προστίθενται στη δομή του πρωτοριβοσώματος, επιτρέποντάς του να εξελιχθεί στο εργοστάσιο παραγωγής πρωτεϊνών που αποτελεί σήμερα. «Ένα σύγχρονο ριβόσωμα μπορεί να περιγραφεί ως κρεμμύδι, έχοντας το πρωτοριβόσωμα στο κέντρο του, το οποίο περιβάλλεται από περισσότερα στρώματα που προστέθηκαν κατά την εξέλιξη», λέει η Yonath.
Με τον καιρό, η παραγωγή πρωτεϊνών θα γινόταν αρκετά αποτελεσματική ώστε να δημιουργεί αλυσίδες μήκους έως και χιλιάδων αμινοξέων, και να το εκτελεί αυτό σύμφωνα με τις οδηγίες που αναγράφονται στον γενετικό κώδικα. Όλες οι πρωτεΐνες στο ανθρώπινο σώμα -οι δεκάδες χιλιάδες πρωτεΐνες- εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες, από τις ορμόνες όπως η ινσουλίνη, τα αντισώματα στο ανοσοποιητικό σύστημα, έως τα δομικά συστατικά κυττάρων και ιστών όπως η αιμοσφαιρίνη ή το κολλαγόνο του δέρματος. Και όλα ξεκίνησαν με τους δεσμούς που κάποτε σχηματίστηκαν τυχαία μέσα στο πρωτοριβόσωμα.
Ας προχωρήσουμε μερικά δισεκατομμύρια χρόνια: Η θεωρία είχε υποστηριχθεί με υπολογισμούς, επαγωγικά συμπεράσματα και πειράματα διμερισμού, στα οποία οι επιστήμονες δημιούργησαν διμερείς δομές RNA, μιμούμενοι το πρωτοριβόσωμα το οποίο είχε προταθεί. Όμως, μέχρι πρόσφατα, οι αρχές της θεωρίας παρέμεναν σε μεγάλο βαθμό… θεωρητικές. Τώρα, με μια νέα μελέτη με επικεφαλής την Δρ. Tanaya Bose, μεταδιδακτορική συνεργάτιδα στο εργαστήριο της Yonath, οι επιστήμονες κατάφεραν να της δώσουν και πειραματική υποστήριξη.
Στόχος της Bose και των συνεργατών της ήταν να διερευνήσουν εάν ένα πρωτοριβόσωμα, το οποίο συνετέθη σε εργαστήριο, θα ήταν αρκετά σταθερό ώστε να επιβιώσει και να επιτελέσει τον εικαζόμενο σχηματισμό δεσμού, ήθελαν δηλαδή να ανακαλύψουν εάν ήταν πράγματι ικανό για αυτό το έργο. Η ιδια, μαζί με τα άλλα μέλη της ομάδας της Yonath δημιούργησαν ένα σχέδιο ενός πιθανού πρωτοριβοσώματος, αναλύοντας τις δομές που μοιάζουν με θύλακα στην καρδιά πολλών βακτηριακών ριβοσωμάτων. Στη συνέχεια, η Bose παρασκεύασε αυτές τα προτοριβοσωμικές δομές σε ένα εργαστηριακό τρυβλίο.
Το επόμενο ήταν το κρίσιμο βήμα: ο έλεγχος για το εάν οι διμερείς δομές που μοιάζουν με θύλακα, είναι σε θέση να δημιουργήσουν δεσμούς μεταξύ αμινοξέων. Αφού ανάμειξαν τις δομές με ένα διάλυμα που περιέχει υποστρώματα ενεργοποιημένων αμινοξέων, καθώς και διάφορα άλατα και άλλα αντιδραστήρια, η Bose υπέβαλε τα προϊόντα της αντίδρασης σε μια σειρά δοκιμών, συμπεριλαμβανομένης της ανάλυσης φασματομετρίας μάζας.
Προς μεγάλη χαρά της ομάδας, τα συνθετικά πρωτοριβοσώματα που δημιουργήθηκαν στο εργαστήριο ανέβηκαν στο έργο. «Ο σχηματισμός πεπτιδικού δεσμού αποτελεί την πιο ζωτική δραστηριότητα σε κάθε κύτταρο, και εμείς δείξαμε ότι μπορεί να λάβει χώρα μέσα σε ένα πρωτοριβόσωμα», λέει η Bose.
«Το προτεινόμενο πρωτοριβόσωμα μπορεί να είναι ο κρίκος που λείπει ανάμεσα σε έναν κόσμο που κυριαρχείται από το RNA (αυτόν που μπορεί να υπήρχε πριν εμφανιστούν οι πρωτεΐνες και το DNA), και της ζωής που βασίζεται σε πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα, όπως ακριβώς την γνωρίζουμε σήμερα», δηλώνει η Bashan.
Παραπομπές: Tanaya Bose et al, Origin of life: protoribosome forms peptide bonds and links RNA and protein dominated worlds, Nucleic Acids Research (2022).
Πηγή: https://phys.org/
