Zvětšit obrázek

Vznik života podľa hypotézy RNA svet

Hypotéza „ RNA svet“
S evolučnou teóriou, s vedeckým vysvetlením vývoja pozemského života sa zrodila základná otázka: Ako pred asi 3,8 až 4 miliardami rokov život vznikol? V akej forme existovala jeho prvá, samostatne sa replikujúca forma?  Asi najuznávanejšou hypotézou ponúkajúcou odpoveď na túto neodbytnú, zásadnú otázku je hypotéza „RNA svet“ (RNA world hypothesis), ako ju v roku 1986 nazval nositeľ Nobelovej ceny Walter Gilbert. Samotná myšlienka, že v kolíske pozemského života by sme našli molekulu ribonukleovej kyseliny RNA sa však postupne začala formovať pred viac ako štyridsiatimi rokmi. Hypotéza „RNA svet“ predpokladá, že ribonukleová kyselina bola prvou formou živej hmoty a známejšia deoxyribonukleová kyselina (DNA), ktorej dlhšie dvojité reťazce sú stabilnejšie, sa podľa tejto hypotézy vytvorila z RNA neskôr. Molekula RNA obsahuje, podobne ako DNA, program pre svoje kopírovanie sa – genetický kód napísaný špecifickou postupnosťou štyroch pomerne jednoduchých organických dusíkatých látok (báz) naviazaných do reťazca pomocou cukru (nonosacharidu ribózy) a fosfátovej skupiny. RNA má však ešte jednu dôležitú vlastnosť – pri chemických reakciách pôsobí aj ako katalyzátor. V súčasnej bunke metabolické procesy katalyzujú najmä špeciálne bielkoviny - enzýmy.

Zvětšit obrázek

Adenín, quanín, cytozín, a uracil sú dusíkaté bázy RNA naviazané na vlákno tvorené molekulami cukru ribózy a fosfátovými radikálmi. Väzba báza – ribóza tvorí nukleozid. Ak je k nukleozidu naviazaný aj fosfátový radikál, ide o nukleotid. Briským vedcom sa podarilo syntetizovať nukleotidy s bázami cytozínu a uracilu (pirimidínmi).

Proti i za
Aj keď hypotéza „RNA sveta“, považujúca molekulu RNA za prvú živú chemickú zlúčeninu, ktorá spustila evolúciu pozemského života, je asi tou najuznávanejšou, čelí ostrej kritike. Niektorí vedci považujú molekulu RNA za príliš zložitú na to, aby spontánne vznikla v podmienkach mladej Zeme. Doposiaľ sa ju nepodarilo syntetizovať ani v kontrolovaných laboratórnych podmienkach. Tím chemikov z britskej Univerzity v Manchestri však v najnovšom čísle časopisu Nature uverejňuje prácu, ktorá je možno prvým úspešným krokom správnym smerom. Matthew Powner, Béatrice Gerlandová a John Sutherland z jednoduchých organických látok vytvorili dva typy ribonukleotidov, základných stavebných jednotiek RNA, za podmienok, ktoré pred asi 4 miliardami rokov na Zemi pravdepodobne panovali. Ich práca znamená pre hypotézu „sveta RNA“  výraznú podporu. Predstavuje realistické riešenie možného vzniku nukleovej kyseliny v prvotnej „prebiotickej polievke“.
"Sú to veľmi presvedčivé dôkazy pre teóriu sveta RNA. Nevieme, či tieto chemické postupy naozaj odrážajú to, čo sa skutočne stalo, ale pred našim výskumom existovali veľké pochybnosti, že sa to vôbec mohlo tak udiať," sú slová Donny Blackmondovej, chemičky na Imperial College v Londýne.

Zvětšit obrázek

„Chrbticu“ (backbone) RNA tvorí polymér z cukru ribózy a fosfátovej skupiny. Na toto vlákno sa viažu dusíkaté bázy. RNA (na rozdiel od DNA) je zväčša jednovláknová. Pri niektorých funkciách vytvára dvojvlákno, alebo slučky na svojom reťazci (tRNA), pričom sa pomocou vodíkových väzieb viaže cytozín s quanínom a adenín s uracilom. RNA môže vytvárať aj hybridné reťazce s DNA.

Svetlo laboratórneho sveta uzreli dva syntetické nukleotidy
Už asi 40 rokov sa vedci snažia pochopiť prebiotickú syntézu základných jednotiek molekuly RNA a doposiaľ vychádzali z predpokladu, že najskôr vznikli jej tri základné stavebné prvky – cukor ribóza, fosfát a 4 typy nukleotidov (2 pyrimidíny: cytozín a uracil a 2 puríny: guanín a adenín). RNA vznikla až následne ich vzájomným chemickým zlučovaním. V laboratóriách sa však tento proces nepodarilo zreprodukovať ani po nespočetných pokusoch a snaha zlúčiť ribózu s bázami končila frustrujúcim sklamaním. To hnalo vodu na mlyn skepticizmu a kritiky hypotézy sveta RNA. Sutherlandov tím však pozmenil predpoklady, použil chemické látky, ktoré mohli byť aj na počiatku života spoločnými chemickými predchodcami ako pre ribózu, tak aj pre pyrimidínové bázy. Základné podmienky experimentu zodpovedali geochemickému modelu mladej Zeme a ako vstupné chemické látky vedci použili kyanamid, kyanoacetylén, glykolaldehyd, glyceraldehyd a anorganický fosfát. Zistili, že jednoduchý uhľovodík, formaldehyd, v zásaditom roztoku vstupných uhľovodíkov umožňuje vznik celého radu cukrov, z ktorých sa vzápätí vytvára zmes nerozpustných látok odvodených od kyanidov a amoniaku. Ich vzájomnou reakciou sa tvoria nielen dusíkaté bázy, ale ďalšie organické zlúčeniny. Ak do zmesi reaktantov vedci v určitom kroku pridali fosfát, čiastočne ním vyrovnali pH roztoku a zároveň vyvolali reakcie, v ktorých pôsobil ako katalyzátor. Vďaka nemu, ako vedľajší produkt, vznikla napríklad dôležitá močovina. Ďalším kľúčovým medziproduktom bol 2-aminooxazol (C₃H₄N₂O₂), východisková látka pre vznik nukleozidov - zlúčenín báz s cukrom. Aminooxazol je pomerne prchavá chemikália, čo Sutherland využil na zodpovedanie otázky, ako si v prebiotickom prostredí mladej planéty zachovala dostatočnú chemickú čistotu, nevyhnutnú pre ďalšie reakcie. Mohol to spôsobiť cyklus jej sublimácie, podporenej počas dňa slnkom, a kondenzácie počas chladnejšej noci.

Zvětšit obrázek

Doposiaľ hypotéza „RNA svet“ predpokladala, že sa v prebiotickom prostredí mladej planéty vytvorili najskôr jednotlivé stavebné prvky RNA. Podľa nových experimentov však z kaskády reakcií organických molekúl mohli vzniknúť priamo nukleozidy a po fosforylácii v ďalšom kroku nukleotidy. Kredit: Nature

Ďalším faktorom je ultrafialové svetlo, ktoré cez primárnu atmosféru bez kyslíka prenikalo k povrchu Zeme oveľa intenzívnejšie než v súčasnosti. Vedci UV žiarenie využili veľmi efektívne. Počas experimentov rozkladalo niektoré nežiaduce vedľajšie produkty a zároveň pomáhalo vytvárať iné, nevyhnutné, ako napríklad ribouridín (väzba uracil a ribóza), jeden z pyrimídových nukleozidov. V predposlednom kroku zaujímavej kaskády chemických reakcií  prebiehala fosforylácia - naviazanie PO₄ skupiny na nukleozidy cytidín a uridín (nukleozid – väzba ribóza a príslušná báza - v tomto prípade cytozín a uracil). Fosforyláciu podporila prítomnosť močoviny (NH₂–CO–NH₂), ktorá v predchádzajúcich reakciách vznikla z vedľajších produktov práve vďaka katalytickému pôsobeniu fosfátu. Ukážka, ako sa jednotlivé ingrediencie tejto laboratórnej prebiotickej polievky navzájom podporovali a ovplyvňovali priebehy reakcií. Vedci dôsledne skúmali  každú možnú chemickú cestu, ktorá by v prebiotickej ére mohla byť v pozemských podmienkach reálna. Neprehliadali ani vedľajšie produkty vznikajúce pri reakciách a ich chemické vplyvy.

Zvětšit obrázek

Kredit: Constanze von Kitzing, 1997

 

Beh na dlhú, ale zaujímavú trať
 Aj po desaťročiach snahy o zrekonštruovanie vzniku života na Zemi doposiaľ hľadáme len tie najpravdepodobnejšie riešenia. Aj práca Sutherlandovho tímu, nech je akokoľvek zásadná a progresívna, je len štartovacím blokom pre ďalší výskum. Vedci z Univerzity v Manchestri dokázali pravdepodobným spôsobom vytvoriť zatiaľ len pyriminídové ribonukleotidy (s bázami cytozín a uracil) a naviazať ich do reťazca. Aby mohol ich scenár naozaj zodpovedať ranným fázam vývoja života, budú musieť v približne rovnakých podmienkach a podobným spôsobom vytvoriť aj purínové ribonukleotidy (s bázami guanín a adenín), aby mohli vytvoriť kompletný reťazec RNA. A mali by vedieť zodpovedať otázku, či sa v podmienkach mladej Zeme mohli aspoň lokálne vyskytnúť vstupné chemické látky – reaktanty – v dostatočnej koncentrácii a v dostatočne čistej forme.
Sutherland: "Mojim konečným cieľom je získať živý RNA systém v priebehu experimentu uskutočnenom v „jednom hrnci“. Môžeme to rozbehnúť, len musíme vedieť aké obmedzenia mali podmienky na začiatku.“

Odporúčame:
Krátke videá z YouTube o základných mechanizmoch prepisu genetického kódu z DNA do RNA a tvorby výsledných bielkovín :

A ďalšie:

Zdroje: Nature 1 , 2;  Nature News