Profesor Michael Blaber i jego grupa badawcza opublikowała niedawno wyniki eksperymentów, które sugerują, że pomiędzy 3,5 a 3,9 miliardów lat temu na Ziemi pojawiło się 10 aminokwasów, które wystarczyły by zapoczątkować całą późniejszą ewolucję żywych organizmów. Mianowicie, zestaw wskazanych aminokwasów był zdolny do uformowania złożonego białka, czemu sprzyjało wysoko zasolone środowisko. Takie białko wykazywało aktywność metaboliczną oraz uczestniczyło w licznych reakcjach chemicznych. Jednym z argumentów przemawiających za tym, że jednak białko a nie RNA było życiodajną substancją, jest fakt iż proteiny występują we wszystkich żywych organizmach. Ponadto stanowią strukturę istnień kontrowersyjnych z punktu widzenia życia: wirusów i prionów. Pierwsze z nich przecież nie zawsze posiadają RNA, jako materiał genetyczny, drugie są od niego całkowicie wolne. Białka natomiast, są ich podstawowym budulcem. Podążając dalej wg tego rozumowania, być może są to faktycznie ewolucyjnie stare wytwory, łączące świat materii nieożywionej i organizmów żywych. Aspekt wytworzenia życia z nieożywionych układów był do tej pory częścią paradygmatu o „pierwszym RNA”, okazuje się, że minimalnie inaczej ujęty pasuje także do koncepcji Blaber’a.
3 lata trwały badania Blaber’a. Wykorzystywały one metody badawcze, jakie projektowano przez 17 lat. Przy użyciu techniki o nazwie „top-down symmetric deconstruction”, Blaber zidentyfikował niewielkie peptydy będące elementami bloków wykazujących zdolność do spontanicznego wmontowywania w architekturę specyficznych i kompleksowych białek. Ostatnie z eksperymentów miały ustalić czy wspomniane bloki mogą być złożone wyłącznie z 10 aminokwasów, zachowując cechę samoskładania. Zespół naukowców otrzymał pulę 12 aminokwasów zdolnych do składania białek, tym samym zyskał potwierdzenie przypuszczeń w skali 80%. Aminokwasy te konstytuują zestaw substancji prebiotycznych i tak też były tytułowane przez badaczy, jako prebiotic set of amino acids. Jeżeli hipoteza przedstawiona przez Blabera zyska aprobatę światowych autorytetów, z całą pewnością dojdzie do kolejnego przewrotu w zakresie prawd biologicznych. Oddźwięk odkrycia przewyższy ten towarzyszący odkryciu odwrotnej transkryptazy. Dalsze badania nad problemem z czasem powinny przynieść wytłumaczenie także innego problemu, związanego z samopowielaniem prionów i w ogóle z ich obecnością. Przede wszystkim dojdzie jednak do ponownego poszukiwania kolejnych dowodów na to gdzie i jak rozpoczęło się życie. Logika rozumowania Blabera wskazuje środowisko halofilne jako lokalizację dla kluczowych aspektów abiogenezy (początki życia z nieożywionej materii). Podobnie rola formowania białek nabiera wyraźnego znaczenia w najwcześniejszych etapach kształtowania życia na Ziemi. Istnieją naukowe dowody wspierające elementy teorii abiogenezy. Są to przede wszystkim: ramy czasowe (około 3,5 – 3,9 miliardów lat temu), warunki panujące na Ziemi i skład jej atmosfery w tamtym czasie. Ziemia składała się wówczas z masywów tzw. lądu wulkanicznego. Dochodziło do pierwotnego formowania kontynentów, istaniały słone oceany i zbiorniki z gorącą (około 80ºC). Atmosfera zawierała duże ilości pary wodnej, dwutleneku węgla i azotu.
Obecnie ciało człowieka używa 20 aminokwasów do wytworzenia wszystkich białek. 10 z nich pojawia się poprzez ścieżki biosyntezy. Jak się okazuje zestaw 10 prebiotycznych aminokwasów może być wytworzony przy użyciu wyłącznie chemicznych reakcji, bez obecności żadnego żyjącego systemu czy biosyntetycznej ścieżki. Prebiotyczny zestaw 10 α-aminokwasów, tj. Ala, Asp, Glu, Gly, Ile, Leu, Pro, Ser, Thr i Val, jest pewnym kompromisowym odpowiednikiem dla zachodzenia zbioru różnych typów chemiabiotycznych syntez. Syntezy te pojawiły się przed zaistnieniem szlaków biosyntez. Prebiotyczny zestaw aminokwasów jest najbardziej wiarygodnym i potwierdzonym badaniami źródłem proteogenezy, a wzięto pod uwagę wszystkie znane procesy abiogenezy.
Po wyznaczeniu teoretycznego zestawu prebiotycznego, zespół naukowców pod wodzą Blaber’a nurtowały dodatkowe pytania: czy opisana pula aminokwasów zachowuje zdolność do samoskładania białek, tym samym jakie są informacje chemiczne na to pozwalające oraz jakie charakterystyczne właściwości ujawniały takie polipeptydy? By zbadać te kwestie, przy użyciu metody top-down symmetric deconstruction utworzono dwa prymitywne mechanizmy składania białek. Rezultatem było zredukowanie białkowego „alfabetu” do 13, a później 12 niezbędnych aminokwasów. Okazało się, że otrzymane białka wykazywały znaczne zakwaszenie pI i wymagały wysokiego stężenia soli dla utrzymania procesów składania. To poświadcza występowanie prebiotycznych aminokwasów w środowisku halofilnym. Argumentem potwierdzającym słuszność dochodzenia Blager’a jest także fakt, iż proteiny odgrywają centralną rolę w procesach metabolicznych, umożliwiających życie systemów. Zatem proteogeneza musiała być kluczowym wydarzeniem w procesie abiogenezy. Co ciekawe analiza składu komet i meteorytów (pierwotne pozostałości wczesnego układu słonecznego), przyniosła informacje o znaczącej obecności alfa-aminokwasów i kwasów alfa-karboksylowych. To znacząco lokuje na osi czasu prebiotyczne aminokwasy przed wystąpieniem obfitości zasad nukleinowych czy rybosomów.
Bliska zgodność pomiędzy wynikami eksperymentów pochodzących z pogranicza chemii termalnej, dotyczących analizy składu komet i meteorytów oraz przy użyciu techniki top-down symmetric deconstruction, zasugerowała możliwy wspólny mechanizm syntezy, tzn. syntezę Strecker’a. Przypuszczenia te zdają sie być tym bardziej prawidłowymi gdyż pierwsze polipeptydy musiały być zbudowane tylko z aminokwasów łatwo dostępnych w środowisku (prebiotyczny zestaw).
Naukowcy z the Florida State University College of Medicine udowodnili, że białka były niezwykle istotnym elementem abiogenezy. Sformułowana teoria jest potwierdzona wykazaniem iż zestaw prebiotycznych aminokwasów posiada właściwości wystarczające i konieczne w formowaniu polipeptydów. Białka te natomiast, posiadały zdolność do przeprowadzania prostych biosyntetycznych, nawet metabolicznych reakcji. Ponadto badacze przypuszczają, że zestaw prebiotycznych aminokwasów może rozwiązać problem paradoksu Levinthal’a. Przeprowadzone testy wykazały, że zestaw prebiotyczny posiada znakomitą skłonność aminokwasów do formowania każdego z podstawowych typów struktury drugorzędowej białka. Zdolność ta osiąga poziom porównywalny do uzyskiwanych przez hydrofilowe lub hydrofobowe aminokwasy, wykazujących potencjał wspierania wzorcowania, kluczowego dla specyficznej drugorzędowej i trzeciorzędowej organizacji struktury protein. Co więcej, aminokwasy prebiotyczne opisano jako zdolne do funkcjonowania jak katalityczne nukleofile.
Istnieje jednak pewna bariera w składaniu prebiotycznych białek, co ujawnia odchylenie ich właściwości od większości istniejących białek, ponieważ:
1. „Alfabet” prebiotycznych aminokwasów zawiera tylko 10 „liter”. Przez to dochodzi do redukcji potencjalnej ilości interakcji (występuje limit dla składalności). Tak więc, by być całkowicie zdolnymi do składania i formowania struktury białek, 10 prebiotycznych aminokwasów musiało być wysoce wydajnymi, wyselekcjonowanymi cząstkami.
2. Nie wiadomo jak dochodziło do rozpadu wytworzonych białek. Bowiem reszty aromatyczne, czyli kluczowi dostawcy wiązań van der Waals’a, służących jako siła napędowa dla rozpadu białek są nieobecne w prebiotycznym „alfabecie”.
3. α-aminookwasy zestawu prebiotycznego, ograniczają projektowanie białek jedynie do kwasowych polipeptydów. W konsekwencji dochodzi do ograniczenia obecności interakcji mostków solnych. Ten aspekt tłumaczy zakwaszenie pI. Struktura trzeciorzędowa powstaje w wyniku oddziaływania poszczególnych reszt aminokwasowych pomiędzy sobą. Poza wiązaniami wodorowymi, w reakcji pomiędzy grupami funkcyjnymi pochodzącymi od aminokwasów kwaśnych a grupami aminokwasów zasadowych, mogą powstać tzw. mostki solne.
Wyniki badań otrzymane przez grupę Blaber’a odkrywają, że zestaw aminokwasów, produkowanych w prostych procesach chemicznych, zawiera wymagane informacje do produkcji złożonych białek, co wspiera jego teorię. Bieżący paradygmat dotyczący pojawienia się życia na Ziemi mówi o tym, że RNA było pierwsze w środowisku wysokotemperaturowym. Blaber udawania, że pierwszymi molekułami życia mogły być równie dobrze białka. Halofilne, wysokozasolone środowisko było uważane za takie, gdzie nie może dojść do adaptacji życia. Badania Blabera nad prebiotycznymi aminokwasami oraz składaniem i projektowaniem białek sugerują odwrotnie. Bez zdolności do składania, białka nie mogłyby formować precyzyjnych struktur, ważnych dla funkcjonowania, które podtrzymuje życie takim, jakie znamy. Odpowiednia struktura białek pozwala na interakcje z innymi proteinami, a także umożliwia przeprowadzanie specyficznych reakcji chemicznych. Ich funkcjonowanie bierze udział w dostosowywaniu się organizmu do wykorzystania środowiska w jakim żyje. Musiało mieć to miejsce już miliardy lat temu. Według Blaber’a to jeszcze nie koniec znajdywania ówczesnych nisz, w których życie mogło zaistnieć, podobnie jak miało to miejsce w środowisku halofilnym.
Izabela Kołodziejczyk
portal biotechnologia.pl
Źródła: http://phys.org, http://www.ncbi.nlm.nih.gov, http://www-miller.ch.cam.ac.uk/levinthal/levinthal.html, "Scalable organocatalytic asymmetric Strecker reactions catalysed by a chiral cyanide generator" doi:10.1038/ncomms2216, Choroby prionowe. „Świat Nauki”, marzec 1995. Prószyński Media. ISSN 0867-6380
KOMENTARZE