_ Modelarea originilor viața: noi dovezi pentru o „lume ARN”

Charles Darwin a descris evoluția drept „coborâre cu modificări”. Informațiile genetice sub formă de secvențe ADN sunt copiate și transmise de la o generație la alta. Dar acest proces trebuie să fie, de asemenea, oarecum flexibil, permițând ușoare variații ale genelor să apară în timp și să introducă noi trăsături în populație.

Dar cum au început toate acestea? La originile vieții, cu mult înainte de celule, proteine ​​și ADN, ar fi putut avea loc un fel de evoluție similar la o scară mai simplă? Oamenii de știință din anii 1960, inclusiv Salk Fellow Leslie Orgel, au propus că viața a început cu „Lumea ARN”, o eră ipotetică în care moleculele de ARN mici și stringente au condus Pământul timpuriu și au stabilit dinamica evoluției darwiniene.

Noile cercetări de la Institutul Salk oferă acum perspective noi despre originile vieții, prezentând dovezi convingătoare care susțin ipoteza ARN World. Studiul, publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), dezvăluie o enzimă ARN care poate face copii precise ale altor catene funcționale de ARN, permițând în același timp să apară noi variante ale moleculei în timp. Aceste capacități remarcabile sugerează că cele mai timpurii forme de evoluție ar fi putut avea loc la scară moleculară în ARN.

Descoperirile aduc, de asemenea, oamenii de știință cu un pas mai aproape de re-crearea vieții bazate pe ARN în laborator. Modelând aceste medii primitive în laborator, oamenii de știință pot testa direct ipotezele despre modul în care viața a început pe Pământ sau chiar pe alte planete.

„Suntem în urmărirea zorilor evoluției”, spune autorul principal și Președintele Salk, Gerald Joyce. „Prin dezvăluirea acestor capacități noi ale ARN-ului, descoperim originile potențiale ale vieții în sine și modul în care moleculele simple ar fi putut deschide calea către complexitatea și diversitatea vieții pe care le vedem astăzi.”

Oamenii de știință pot folosiți ADN-ul pentru a urmări istoria evoluției de la plante și animale moderne până la cele mai vechi organisme unicelulare. Dar ce a venit înainte rămâne neclar. Elicele ADN dublu catenar sunt excelente pentru stocarea informațiilor genetice. Multe dintre aceste gene codifică în cele din urmă proteine ​​- mașini moleculare complexe care îndeplinesc tot felul de funcții pentru a menține celulele în viață.

Ceea ce face ARN-ul unic este că aceste molecule pot face puțin din ambele. Sunt alcătuite din secvențe de nucleotide extinse, similare cu ADN-ul, dar pot acționa și ca enzime pentru a facilita reacțiile, la fel ca proteinele. Deci, este posibil ca ARN-ul să fi servit ca precursor al vieții așa cum o cunoaștem?

Oamenii de știință precum Joyce au explorat această idee de ani de zile, cu un accent special pe ribozimele ARN polimerazei - moleculele de ARN care pot face copii ale altor catene de ARN.

În ultimul deceniu, Joyce și echipa sa au dezvoltat ribozime de ARN polimerază în laborator, folosind o formă de evoluție direcționată pentru a produce noi versiuni capabile să reproducă molecule mai mari. Dar majoritatea au venit cu un defect fatal: nu sunt capabili să copieze secvențele cu o precizie suficient de mare. De-a lungul multor generații, în secvență sunt introduse atât de multe erori încât catenele de ARN rezultate nu mai seamănă cu secvența originală și și-au pierdut complet funcția.

Până acum. Cea mai recentă ribozimă ARN polimerază dezvoltată în laborator include o serie de mutații cruciale care îi permit să copieze o catenă de ARN cu o acuratețe mult mai mare.

În aceste experimente, catena de ARN copiată este un „cap de ciocan, „o moleculă mică care scindează alte molecule de ARN în bucăți. Cercetătorii au fost surprinși să constate că nu numai că ribozima ARN polimerază a replicat cu exactitate capurile de ciocan funcționale, dar, în timp, au început să apară noi variații ale capetelor de ciocan.

Aceste noi variante au funcționat în mod similar, dar mutațiile lor le-au făcut mai ușor de replicat, ceea ce le-a crescut capacitatea evolutivă și le-a determinat să domine în cele din urmă populația de cap-ciocan a laboratorului.

„Avem mult timp. m-am întrebat cât de simplă era viața la început și când a dobândit capacitatea de a începe să se perfecționeze”, spune primul autor Nikolaos Papastavrou, un cercetător asociat în laboratorul lui Joyce.

„Acest studiu sugerează că zorii evoluției ar putea avea a fost foarte devreme și foarte simplu. Ceva la nivelul moleculelor individuale ar putea susține evoluția darwiniană și asta ar fi putut fi scânteia care a permis vieții să devină mai complexă, trecând de la molecule la celule la organisme multicelulare.”

Descoperirile evidențiază importanța critică a fidelității replicării în a face posibilă evoluția. Precizia de copiere a ARN polimerazei trebuie să depășească un prag critic pentru a menține informațiile ereditare de-a lungul mai multor generații, iar acest prag ar fi crescut pe măsură ce ARN-urile în evoluție creșteau în dimensiune și complexitate.

Echipa lui Joyce recreează acest proces în eprubete de laborator, aplicând o presiune selectivă crescândă asupra sistemului pentru a produce polimeraze mai performante, cu scopul de a produce într-o zi o ARN polimerază care să se poată replica. Acest lucru ar marca începuturile vieții autonome de ARN în laborator, despre care cercetătorii spun că ar putea fi realizată în următorul deceniu.

Oamenii de știință sunt, de asemenea, interesați de ce altceva s-ar putea întâmpla odată ce această mini „Lumea ARN” va avea loc. a câștigat mai multă autonomie.

„Am văzut că presiunea de selecție poate îmbunătăți ARN-urile cu o funcție existentă, dar dacă lăsăm sistemul să evolueze mai mult timp cu populații mai mari de molecule de ARN, pot fi inventate noi funcții?” spune coautorul David Horning, un om de știință în laboratorul lui Joyce. „Suntem încântați să răspundem la modul în care viața timpurie și-ar putea crește propria complexitate, folosind instrumentele dezvoltate aici la Salk.”

Metodele folosite în laboratorul Joyce deschid, de asemenea, calea pentru viitoare experimente care testează alte idei. despre originile vieții, inclusiv ce condiții de mediu ar fi putut susține cel mai bine evoluția ARN, atât pe Pământ, cât și pe alte planete.

(Fluierul)