Sameindauppruni lífs: Hvað myndaðist fyrst - Prótein, DNA eða RNA eða samsetning þess?

„Mörgum spurningum um uppruna lífs hefur verið svarað, en margt er enn órannsakað,“ sögðu Stanley Miller og Harold Urey langt aftur í 1959 eftir að hafa greint frá nýmyndun amínósýra á rannsóknarstofu við frumstæðar aðstæður á jörðu niðri. Margar framfarir eru enn framundan en vísindamennirnir hafa lengi glímt við grundvallarspurningu – hvaða erfðaefni var fyrst til að myndast á frumstæðu jörðinni, DNA or RNA, eða svolítið af hvoru tveggja? Nú eru vísbendingar sem benda til þess DNA og RNA hvort tveggja gæti hafa verið samhliða frumsúpunni þaðan sem lífsformin kunna að hafa þróast með erfðaefninu.

Aðalkenning sameindalíffræðinnar segir það DNA gerir RNA gerir prótein. Prótein bera ábyrgð á meirihluta, ef ekki öllum viðbrögðum sem eiga sér stað í lífveru. Öll virkni lífveru er að miklu leyti háð nærveru þeirra og samspili þeirra prótein sameindir. Samkvæmt miðlægum kenningum, prótein eru framleiddar af upplýsingum sem eru í DNA sem er breytt í virkni prótein í gegnum boðbera sem kallast RNA. Hins vegar er mögulegt að prótein sjálfir geta lifað sjálfstætt án nokkurra DNA or RNA, eins og raunin er með príón (misbrotin prótein sameindir sem innihalda ekki DNA or RNA), en geta lifað af sjálfum sér.

Þannig geta verið þrjár aðstæður fyrir uppruna lífs.

A) Ef prótein eða byggingareiningar þess gátu myndast lífrænt í andrúmsloftinu sem var fyrir milljörðum ára í frumsúpu, prótein má kalla grundvöll uppruna lífs. Tilraunagögnin í þágu þess koma frá hinni frægu tilraun Stanley Miller^{1, 2}, sem sýndi að þegar blanda af metani, ammóníaki, vatni og vetni er blandað saman og dreift framhjá rafhleðslu myndast blanda af amínósýrum. Þetta var aftur staðfest sjö árum síðar³ árið 1959 af Stanley Miller og Harold Urey þar sem þeir fullyrtu að tilvist afoxandi lofthjúps í frumjörðinni hafi valdið myndun lífræn efnasambönd í viðurvist ofangreindra lofttegunda auk minna magns af kolmónoxíði og koltvísýringi. Mikilvægi Miller-Urey tilrauna var dregið í efa af vísindabræðralaginu í nokkur ár, sem töldu að gasblandan sem notuð var í rannsóknum þeirra væri of minnkandi miðað við þær aðstæður sem voru á frumjörðinni. Nokkrar kenningar bentu til hlutlauss andrúmslofts sem inniheldur of mikið af CO2 með N2 og vatnsgufu⁴. Hins vegar hefur hlutlaust andrúmsloft einnig verið skilgreint sem líklegt umhverfi fyrir myndun amínósýra⁵. Að auki, fyrir prótein til að starfa sem uppruni lífs, þurfa þeir að endurtaka sig sjálfir sem leiðir til blöndu af mismunandi prótein að koma til móts við mismunandi viðbrögð sem eiga sér stað í lífveru.

B) Ef frumsúpan veitti skilyrði fyrir byggingareiningum af DNA og / eða RNA að myndast, þá gæti annað hvort þessara hafa verið erfðaefnið. Rannsóknin fram að þessu studdi RNA að vera erfðaefni fyrir uppruna lífsforma vegna getu þeirra til að brjóta saman á sig, vera til sem einn þráður og virka sem ensím⁶, fær um að gera meira RNA sameindir. Fjöldi sjálf-afritunar RNA ensíma⁷ hafa fundist í gegnum árin sem benda til RNA að vera upphafserfðaefni. Þetta styrktist enn frekar af rannsóknum John Sutherlands hóps sem leiddu til myndunar tveggja basa RNA í umhverfi svipað frumsúpu með því að setja fosfat í blönduna⁸. Myndun RNA byggingareininga hefur einnig verið sýnd með því að líkja eftir afoxandi andrúmslofti (inniheldur ammoníak, kolmónoxíð og vatn), svipað því sem notað var í tilraun Miller-Urey og hleypa síðan rafhleðslu og aflmiklum leysigeislum í gegnum þær.⁹. Ef trúa á að RNA sé upphafsmaðurinn, hvenær og hvernig gerði það DNA og prótein verða til? Gerði DNA þróast sem erfðaefni síðar vegna óstöðugs eðlis RNA og prótein fylgdu í kjölfarið. Svörum við öllum þessum spurningum er enn ósvarað.

C) Þriðja atburðarásin um að DNA og RNA geti verið saman í frumsúpunni sem leiddi til uppruna lífs kom frá rannsóknum sem birtar voru 3.^rd júní 2020 af hópi John Sutherland frá MRC Laboratory í Cambridge, Bretlandi. Rannsakendur líktu eftir þeim aðstæðum sem voru á frumjörðinni fyrir milljörðum ára, með grunnum tjörnum í rannsóknarstofunni. Þeir leystu fyrst upp efni sem myndast RNA í vatni, fylgt eftir með því að þurrka þau og hita þau og láta þau síðan verða fyrir útfjólubláu geislun sem líkti eftir sólargeislum sem voru til á frumtímanum. Þetta leiddi ekki aðeins til myndun tveggja byggingareininga RNA heldur einnig af DNA, sem bendir til þess að báðar kjarnsýrurnar hafi verið til samhliða þeim tíma sem lífsins urðu til¹⁰.

Byggt á samtímaþekkingu sem er til staðar í dag og heiðra meginkenninguna í sameindalíffræði, virðist líklegt að DNA og RNA hafi verið til saman sem leiddi til uppruna lífs og próteinmyndunar hafi komið/komið fram síðar.

Hins vegar vill höfundur geta sér til um aðra atburðarás þar sem allar hinar þrjár mikilvægu líffræðilegu stórsameindir, þ.e. DNA, RNA og prótein voru saman í frumsúpunni. Sóðalegu aðstæðurnar sem voru í frumsúpunni, sem fela í sér efnafræðilegt eðli yfirborðs jarðar, eldgos og tilvist lofttegunda eins og ammoníak, metan, kolmónoxíð, koltvísýring ásamt vatni gætu hafa verið tilvalin fyrir allar stórsameindir til að myndast. Vísbending um þetta hefur komið fram í rannsóknum Ferus o.fl., þar sem kjarnabasar mynduðust í sama afoxandi andrúmslofti⁹ notað í tilraun Miller-Urey. Ef við ætlum að trúa þessari tilgátu, þá tóku mismunandi lífverur upp eitt eða annað erfðaefni á meðan á þróuninni stóð, sem studdi tilveru þeirra áfram.

Hins vegar, þegar við reynum að skilja uppruna lífsforma, þarf miklu frekari rannsóknir til að svara grundvallarspurningum og viðeigandi spurningum um hvernig líf varð til og breiddist út. Þetta myndi krefjast „út af kassanum“ nálgun án þess að treysta á neina fordóma sem kynntir eru í hugsun okkar með núverandi kenningar sem fylgt er í vísindum.

***

Tilvísanir:

1. Miller S., 1953. Framleiðsla á amínósýrum við hugsanlegar frumstæðar aðstæður á jörðu niðri. Vísindi. 15. maí 1953: Mbl. 117, útgáfa 3046, bls. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. o.fl. 2003. Prebiotic Soup-Revisiting the Miller Experiment. Vísindi 02. maí 2003: Vol. 300, Issue 5620, bls. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Miller SL og Urey HC, 1959. Synthesis lífrænna efnasambanda á frumstæðu jörðinni. Vísindi 31. júlí 1959: Vol. 130, hefti 3370, bls. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Samsetning andrúmslofts og loftslag á fyrstu jörðinni. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Birt: 07. september 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, o.fl. 2008. Endurmat á prebiotic lífrænni myndun í hlutlausu plánetulofti. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Röð á milli RNA af Tetrahymena er ensím. Vísindi 31. janúar 1986: Vol. 231, hefti 4737, bls. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, o.fl. 2011. Ribozyme-catalyzed transcription of an Active Ribozyme. Vísindi 08. apríl: Vol. 332, útgáfa 6026, bls. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Nýmyndun virkjað pýrimídín ríbónúkleótíð við prebiotically trúverðug skilyrði. Náttúra 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Myndun kjarnabasa í Miller-Urey afoxandi andrúmslofti. PNAS 25. apríl 2017 114 (17) 4306-4311; fyrst birt 10. apríl 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. o.fl. 2020 Sértæk prebiotic myndun RNA pýrimídíns og DNA púrín núkleósíð. Náttúra 582, 60–66 (2020). Birt: 03. júní 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***