مولکولی که علم زیست‌شناسی را متحول میکند!

به گزارش مجله خبری نگار/به گزارش earth حالا یک سیستم آزمایشگاهی جدید نشان می‌دهد که مجموعه‌ای ساده از بلوک‌های سازنده RNA می‌تواند بخش بزرگی از این فرآیند را انجام دهد و زیست‌شناسان تجربی را به مشاهده نخستین مراحل زندگی در لوله آزمایش نزدیک‌تر کند.

جیمز اتواتر از کالج دانشگاه لندن، که این مطالعه را رهبری کرده است، می‌گوید: «این همان مولکولی بود که زیست‌شناسی را پیش می‌برد.»

کار پژوهشگران حول محور یک ریبوزیم مصنوعی می‌چرخد که سه‌نوکلئوتیدی‌های RNA را به هم متصل می‌کند و در چرخه‌ای از دما‌های بالا و پایین و شرایط اسیدی و قلیایی فعالیت می‌کند.

RNA در آغاز حیات نقش کلیدی داشت

ایده‌ای که بیش از ۴۰ سال پیش مطرح شد، معتقد است که روزگاری یک مولکول RNA هم اطلاعات ژنتیکی را حمل می‌کرد و هم نقش کاتالیزور را داشت؛ نظریه‌ای که به «دنیای RNA» مشهور است.

سلول‌های امروزی همچنان ردپایی از این گذشته دارند؛ چرا که ریبوزوم‌ها، اسپلیسوزوم‌ها و بسیاری از سویچ‌های تنظیمی وابسته به RNA هستند تا ژن‌ها را فعال نگه دارند.

رشته‌های کوتاه RNA قادرند به شکل‌های فعال تاخورده تبدیل شوند، RNA‌های دیگر را برش دهند و حتی پپتید بسازند که آنها را به اجداد محتمل آنزیم‌های امروزی تبدیل می‌کند. پژوهشگران سال‌هاست تلاش می‌کنند نشان دهند RNA می‌تواند به اندازه کافی سریع خودش را تکثیر کند تا امکان انتخاب طبیعی داروینی فراهم شود.

حل مشکل تکثیر RNA

تکثیر RNA ساده به نظر می‌رسد تا زمانی که با مشکل جدا شدن رشته‌ها مواجه می‌شویم. رشته‌های تازه ساخته‌شده به قدری محکم به قالب خود چسبیده‌اند که دو رشته به سختی از هم جدا می‌شوند و همین مانع از تکرار سریع فرآیند کپی می‌شود.

برخی گروه‌ها برای جدا کردن رشته‌ها از گرما، اسید، مواد متراکم‌کننده یا الیگونوکلئوتید‌های کمکی استفاده کرده‌اند، اما هر یک از این روش‌ها RNA را تخریب می‌کند یا روند کپی‌برداری را متوقف می‌کند. مطالعات بر روی چرخه‌های یخ‌زدایی و ذوب نشان داده‌اند که یخ می‌تواند واکنش‌دهنده‌ها را متمرکز کند بدون آنکه آنها را بسوزاند، که این راهی ملایم‌تر است.

اتواتر و تیمش کشف کردند که سه‌نوکلئوتید‌های کوتاه تری‌فسفات می‌توانند به رشته‌های تک‌نخی RNA به اندازه کافی محکم بچسبند تا مانع از دوباره جفت شدن آنها شوند و در عین حال به عنوان زیرلایه برای رشد رشته جدید عمل کنند. سه باز نوکلئوتیدی اندازه‌ای بهینه دارند که هم به خوبی می‌چسبند و هم خطا‌های کمتری ایجاد می‌کنند.

در شرایطی که چرخه‌های pH ابتدا در دمای ۸۰ درجه سانتی‌گراد (۱۷۶ درجه فارنهایت) رشته‌ها را از هم جدا می‌کند و سپس در دمای ۷ درجه سانتی‌گراد (۱۹ درجه فارنهایت) آنها را منجمد می‌کند، ریبوزیم این سه‌نوکلئوتید‌ها را به رشته‌های مکمل تازه متصل می‌کند. تاکنون این آنزیم توانسته ۳۰ نوکلئوتید از ۱۸۰ نوکلئوتید خود را کپی کند، اما پژوهشگران مسیر‌هایی برای افزایش سرعت آن دیده‌اند.

تکثیر RNA با کمک قطعات کوتاه

در هر مرحله سرد، مایعات بین کریستال‌های یخ به فاز یوتکتیک غلیظی تبدیل می‌شوند که یون‌های منیزیم، ریبوزیم و سه‌نوکلئوتید‌ها را کنار هم نگه می‌دارد.

در این محیط کوچک، پلیمراز این قطعات را به هم متصل می‌کند و سپس منتظر چرخه بعدی گرما می‌ماند تا فرایند را دوباره آغاز کند.

اتواتر می‌گوید: «ممکن است ارتباطی بین نحوه کپی RNA در گذشته و کارکرد RNA در سلول‌های امروزی وجود داشته باشد.»

تکرار چرخه‌های گرم و سرد باعث افزایش نمایی کپی‌ها شد که نشان می‌دهد رشته‌های ساخته‌شده در هر چرخه، قالب کپی در چرخه بعدی هستند.

ردپای کد ژنتیکی

محققان دریافتند سه‌نوکلئوتید‌های غنی از باز‌های G و C که بیشترین توانایی در جدا نگه داشتن رشته‌ها دارند، با کدون‌های اولیه‌ای که پایه‌های کد ژنتیکی امروزی را تشکیل می‌دهند، همخوانی دارند. این موضوع نشان می‌دهد شیمی تکثیر RNA می‌تواند نقش موثری در شکل‌گیری کدون‌ها پیش از ظهور پروتئین‌ها داشته باشد.

نشانه‌های آغازین خودتکثیری

این سیستم تنها رشته‌های از پیش موجود را کپی نکرد بلکه توالی‌های RNA جدیدی از مواد اولیه تصادفی تولید و آنها را در چرخه‌های متعدد تکثیر کرد.

بخش عمده‌ای از تقویت سیگنال از رشته‌هایی بود که شباهت‌هایی به ریبوزیم داشتند، که می‌تواند نویدبخش رفتار خودتکثیری ابتدایی و ظهور توالی‌های عملکردی میلیارد‌ها سال پیش باشد.

اتواتر و تیمش در تلاشند با بهینه‌سازی آنزیم و حذف پیچیدگی‌های غیرضروری، سرعت تکثیر را افزایش دهند تا بتوانند RNA را به طور کامل و پیوسته کپی کنند.

اگر سیستم موفق به خودتکثیری کامل شود، دانشمندان قادر خواهند بود جهش و انتخاب طبیعی را درون لوله آزمایش و تنها با RNA و نمک‌های ساده مشاهده کنند.

این دستاورد، یک فرضیه قدیمی را به یک فرایند قابل مشاهده تبدیل خواهد کرد و پنجره‌ای روشن‌تر به سوی منشاء زندگی می‌گشاید.