Warszawa, 8 czerwca 2020

Pochodzenie życia na Ziemi - świat RNA

Polacy byli członkami międzynarodowej grupy naukowców, która zaproponowała w jaki sposób na Ziemi mógł powstać alfabet współtworzący pierwszy nośnik informacji genetycznej. Wyniki opublikowane na łamach czasopisma Nature są kolejną ważną wskazówką, która być może pozwoli odpowiedzieć na pytanie jak na naszej planecie powstały pierwsze formy życia.

Ustalenie pochodzenia życia na Ziemi oraz ścieżek reakcji chemicznych, które do niego doprowadziły od lat zajmowało szerokie grona badaczy z różnych dziedzin nauki, od astrofizyki i planetologii aż po chemię. W szczególności, jednym z największych wyzwań okazała się być synteza cegiełek budujących polimery informacyjne (nukleozydy) w warunkach młodej Ziemi. W tym przypadku od lat kierowano się tak zwaną hipotezą świata RNA, która zakłada iż ten jednoniciowy polimer informacyjny mógł zarówno pełnić funkcję nośnika informacji na temat składu i struktury pierwszych proto-komórek jak i odgrywać rolę katalizatora ułatwiającego skomplikowane transformacje chemiczne, takie jak synteza białek. Ten scenariusz zakładał, że DNA, posiadające w swojej strukturze inny cukier niż RNA, zostało wytworzone w pierwszych organizmach żywych w drodze molekularnej ewolucji, jako bardziej stabilny nośnik informacji.

W 2009 roku zespół prof. Johna Sutherlanda (obecnie MRC Laboratory for Molecular Biology w Cambridge) przeprowadził pierwszą chemicznie selektywną i wysokowydajną syntezę dwóch z czterech podstawowych składników alfabetu RNA w warunkach młodej Ziemi: cytydyny (C) oraz urydyny (U) [1]. Jednym z kluczowych elementów syntezy oferujących chemiczną selektywność były długotrwałe naświetlania promieniowaniem UV. Jednakże do tej pory, pomimo kilku alternatywnych scenariuszy, żaden inny zespół nie zaproponował porównywalnie selektywnej i wysokowydajnej ścieżki reakcji dla dwóch pozostałych cegiełek RNA: adenozyny (A) i guanozyny (G).

Ostatnie badania wykonane pod kierunkiem Prof. Sutherlanda zaoferowały ciekawe rozwiązanie dla tego problemu, dostarczając kompletny alfabet kwasu nukleinowego, który mógłby pełnić wszystkie wspomniane wyżej kluczowe funkcje dla życia. Rozwiązanie to opiera się na rozwinięciu syntezy z 2009 roku o reaktywne związki siarki, co pozwoliło na jednoczesną syntezę dwóch nukleotydów RNA (C i U) oraz nukleotydów DNA (A i I). Nukleozyd I, czyli inozyna, został wcześniej potwierdzony jako bardzo ważny analog guanozyny, który mógł ułatwiać kopiowanie się pierwszych polimerów informacyjnych na Ziemi, bez pomocy enzymów. Wyjątkowa selektywność tej ścieżki reakcji ponownie okazała się być oparta na intensywnym promieniowaniu UV i została wytłumaczona przez polskich naukowców: Mikołaja Janickiego i Prof. Roberta W. Górę z Politechniki Wrocławskiej oraz Dra Rafała Szablę z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk. Artykuł podsumowujący najważniejsze aspekty tej syntezy został opublikowany na łamach czasopisma Nature [2].

Kluczowym wnioskiem płynącym z tych wyników jest sugestia, iż RNA i DNA mogły powstać w tym samym okresie rozwoju naszej planety. Zatem pierwszy polimer informacyjny mógł być hybrydą łączącą cegiełki obu tych kwasów nukleinowych. Autorzy sugerują, że podział na podsystemy DNA i RNA mógł nastąpić na etapie ewolucji pierwszym organizmów komórkowych [2]. To niezwykle proste wyjaśnienie dlaczego biologia wybrała właśnie te dwa nośniki informacji genetycznej jest bardzo atrakcyjną alternatywą dla hipotezy świata RNA. Jest to kolejny krok, który zbliża nas do zrozumienia tego jak powstało życie na Ziemi i może w przyszłości pozwoli nam zrozumieć czy podobne procesy mogłyby również zachodzić w sąsiednich układach planetarnych.

PRACE NAUKOWE:

[1] "Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions",
      M. W. Powner, B. Gerland & J. D. Sutherland,
      Nature 459, 239-242 (2009).

[2] "Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides",
      J. Xu, et al.,
      Nature 582, 60-66 (2020).

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

     dr inż. Rafał Szabla

       Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk

       tel. +221163124

       email: szabla@ifpan.edu.pl

MATERIAŁY GRAFICZNE: