Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Ur-zymy - czyli pytanie o początek życia
30.09.2013 , Tagi: enzymy, RNA
Ur-zymy - czyli pytanie o początek życia
Zanim na Ziemi pojawiło się życie w obecnym rozumieniu tego słowa, istniała pierwotna zupa. W pewnym momencie niektóre wyspecjalizowane molekuły rozpoczęły replikację. Naukowcy są zgodni, że samo rozpoczęcie tego procesu może prowadzić do powstania pierwszych organizmów. Jednak jak dokładnie to się stało i jaki typ molekuł rozpoczął replikację - pozostaje do tej pory zagadką. Jednak nowe, intrygujące spojrzenie na sprawę dostarczyły badania przeprowadzone na UNC School of Medicine.

Zespół biochemika dr Charlesa Cartera przeprowadził eksperymenty, w czasie których odtworzył struktury przypominające dawne enzymy białkowe, które najprawdopodobniej przyczyniły się do stworzenia życia na Ziemi. Wyniki prac stoją w konflikcie z hipotezą samo-replikujących RNA bez udziału wspomagających białek enzymatycznych, która obecnie jest uznawana za najlepsze wyjaśnienie początków życia.

 

Schematyczny diagram współdziałania peptydu i RNA przy początkach życia i ewolucja syntezy białek. Li, Francklyn, Carter 2013; J. Biol. Chem. 2013: 288:26864


Na początku lat 80 zespół Thomasa Cecha odkrył, że rybozymy, enzymy RNA, działają jak katalizatory (równolegle do tych samych wniosków doszedł zespół Sidneya Altmana). Był to dowód, że RNA może być jednocześnie matrycą i enzymem potrzebnym do powielenia informacji. Doprowadziło to do opisania hipotezy "Świata RNA", według której samo-replikujące cząsteczki RNA, a później kompleksy RNA-białko doprowadziły do powstania prakomórek i życia w znanej obecnie formie. Z kolei na początku lat 90 Jack Szostak i Rachel Green stworzyli rybozym o opisywanych właściwościach, dzięki czemu hipoteza zyskała solidniejsze podstawy.

Pozostały jednak problematyczne pytania: jeżeli hipoteza jest prawdziwa, to dawne samo-replikujące kompleksy RNA musiały mieć dokładność przepisywania podobną do "współczesnych" enzymów. Wynika z tego poważny problem: wyliczono, że czas potrzebny do losowego wygenerowania cząsteczek RNA w stopniu dającym postawy do stworzenia współczesnego drzewa życia jest znacznie dłuższy, niż czas istnienia planety. Szacując wiek skorupy ziemskiej na 4,5 mld lat, pierwsze systemy oparte jedynie na RNA nie mogły ewoluować wystarczająco szybko i replikować z akceptowalną dokładnością, aby spowodować obserwowaną złożoność życia.

Według Cartera, autora opisywanych badań, hipoteza "Świata RNA" jest dla niego nieprawdopodobna: "to zajęło by wieczność" - mówi.

Co więcej, w wątpliwość podawana jest sama możliwość istnienia struktur rybozymowych miliony lat temu. Aby sprawdzić hipotezę "Świata RNA", naukowcy z wykorzystaniem techniki przełomu wieków stworzyli rybozymy o właściwościach katalitycznych. Carter podkreśla, że są to raczej struktury syntetyczne, nie wykazujące praktycznie żadnego podobieństwa do form kiedykolwiek wyizolowanych z żyjących, naturalnych systemów. Sam naukowiec jest ekspertem w biochemii początków życia i prowadzi badania w temacie od przeszło 40 lat.

Translacja naszego współczesnego kodu genetycznego odbywa się dzięki dwóm rodzinom enzymów, syntetaz aminoacylo-tRNA klasy I i II. Zespół Cartera zbudował cyfrowe modele trójwymiarowej struktury syntetaz i przeprowadził ich analizę porównawczą. Odkryto, że wszystkie badane enzymy posiadają zbliżone rdzenie. Zostały one wykorzystane do stworzenia "molekularnych skamielin", nazwanych Ur-zymami (ur- pierwotny, pierwszy). Są to najbardziej pierwotne struktury, jakie możemy obecnie otrzymać i jak się podejrzewa, tak właśnie wyglądały starożytne enzymy miliony lat temu.

Ur-zymy zostały otrzymane poprzez zidentyfikowanie rdzenia współczesnych enzymów, sklonowanie go i poddanie ekspresji. Kolejnym etapem była ich stabilizacja i zbadanie aktywności biochemicznej. Wykazano, że otrzymane Ur-zymy sprawnie radzą sobie z obsługą procesu translacji, a ich aktywność katalityczna wynosi ok. 60% aktywności współczesnych enzymów. Według Cartera wyniki sugerują, że w początkach istnienia życia występowały aktywne enzymy białkowe i są one zbliżone do stworzonych przez jego zespół Ur-zymów. Co więcej, ich budowa genetyczna sugeruje pochodzenie od jeszcze prostrzych wersji o podobnej funkcji. Należy przecież pamiętać, że Ur-zymy zostały odtworzone ze współczesnych struktur i są mimo wszystko stosunkowo „nowoczesne”.

Badanie postawia otwartym pytanie o szczegóły replikacji tych prymitywnych systemów, choć tego nie wyjaśnia także hipoteza „Świata RNA” . Dlatego planuje się rozszerzenie badań w kierunku aktywności polimeraz, enzymów montujących same cząsteczki RNA. Sprawdzenie, czy Ur-zymy wykazują takie właściwości pomoże odpowiedzieć na pytania o replikację.

Źródła

Aminoacylating Urzymes Challenge the RNA World Hypothesis. doi:10.1074/jbc.P113.496125

www.med.unc.edu

exploringorigins.org

KOMENTARZE
Newsletter