کشف رازهای پنهان حیات با RNA

دانشمندان موسسه سالک از قابلیت‌های RNA که تکامل داروین را در مقیاس مولکولی امکان‌پذیر می‌کند، رونمایی کردند و دیگر محققان را به تولید حیات RNA مستقل در آزمایشگاه نزدیک‌تر کردند.

به گزارش تکناک، چارلز داروین، تکامل را تحت عنوان نزول همراه با اصلاح توصیف کرد. اطلاعات ژنتیکی در قالب توالی‌های DNA ، کپی شده و از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شوند. اما این فرآیند باید تا حدودی انعطاف‌پذیر باشد و اجازه دهد تغییرات جزئی ژن‌ها در طول زمان ایجاد شده و صفات جدیدی را به جمعیت معرفی کند.

اما همه اینها چگونه آغاز شد؟ آیا در منشأ حیات یعنی مدتها قبل از سلولها و پروتئینها و DNA، آیا ممکن بود تکامل مشابهی در مقیاس ساده‌تری رخ دهد؟ دانشمندان در دهه 1960، از جمله سالک فلو لزلی اورگل، پیشنهاد کردند که زندگی با دنیای RNA آغاز شد، دورانی فرضی که در آن مولکول‌های کوچک و رشته‌ای RNA بر زمین اولیه حکومت می‌کردند و دینامیک تکامل داروینی را ایجاد کردند.

تحقیقات پیشگامانه در مورد نقش RNA در تکامل اولیه

تحقیقات جدید محققان موسسه سالک اکنون بینش جدیدی در مورد منشاء حیات ارائه می‌دهد و شواهد قانع کننده‌ای را ارائه می‌دهد که از فرضیه RNA World پشتیبانی می‌کنند. این مطالعه که در 4 مارس 2024 در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شد، یک آنزیم RNA را معرفی کرد که می‌تواند کپی‌های دقیقی از سایر رشته‌های RNA عملکردی ایجاد کند، در حالی که به انواع جدیدی از مولکول اجازه می‌دهد در طول زمان ظاهر شوند. این قابلیت‌های قابل‌توجه نشان می‌دهد که اولین اشکال تکامل ممکن است در مقیاس مولکولی در RNA رخ داده باشد.

همچنین این یافته‌ها دانشمندان را یک قدم به ایجاد مجدد حیات مبتنی بر RNA در آزمایشگاه نزدیکتر می‌کند. با شبیه‌سازی این محیط‌های بدوی در آزمایشگاه، دانشمندان می‌توانند مستقیماً فرضیه‌هایی را در مورد چگونگی شروع حیات در زمین یا حتی سیارات دیگر آزمایش کنند.

جرالد جویس، نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: ما در حال کشف شروع تکامل هستیم. با آشکار کردن این قابلیت‌های جدید RNA، ما در حال کشف منشأ حیات خود هستیم و اینکه چگونه مولکول‌های ساده می‌توانند راه را برای پیچیدگی و تنوع حیاتی که امروزه می‌بینیم، هموار کنند.

(زیرنویس سوم: نمودارهای پراکنده جمعیت در حال تکامل، سر چکش‌ها را در چندین دور تکامل نشان می‌دهد. سر چکش‌های کپی‌شده توسط پلیمراز با کیفیت پایین‌تر (52-2) از توالی RNA اصلی (محورهای سفید) دور می‌شوند و عملکرد خود را از دست می‌دهند. سر چکش‌های کپی‌شده توسط پلیمراز جدید با کیفیت بالاتر (71-89) عملکرد خود را حفظ می‌کنند و توالی‌های عملکردی جدیدی در طول زمان ظهور می‌کنند)

عملکرد منحصر به فرد RNA و تلاش برای وفاداری همانندسازی

دانشمندان می‌توانند از DNA برای ردیابی تاریخچه تکامل از گیاهان و حیوانات مدرن تا اولین موجودات تک سلولی استفاده کنند. اما آنچه پیش از این اتفاق افتاده است، هنوز نامشخص است. مارپیچ‌های DNA دو رشته‌ای برای ذخیره اطلاعات ژنتیکیع بسیار عالی هستند. بسیاری از این ژن‌ها در نهایت پروتئین‌ها را کد می‌کنند و ماشین‌های مولکولی پیچیدهای می‌سارند که انواع عملکردها را برای زنده نگه داشتن سلول‌ها انجام می‌دهند. چیزی که RNA را منحصر به فرد می‌کند این است که این مولکول‌ها می‌توانند هر دو این کارها را انجام دهند. آنها از توالی‌های نوکلئوتیدی توسعه یافته، مشابه DNA ساخته شده‌اند، اما می‌توانند مانند پروتئین‌ها به عنوان آنزیم برای تسهیل واکنش‌ها عمل کنند. بنابراین، آیا این امکان وجود دارد که RNA به عنوان پایه‌ای برای شروع زندگی، آنطور که ما می‌شناسیم باشد؟

دانشمندانی مانند جویس سال‌هاست که این ایده را با تمرکز ویژه روی ریبوزیم‌های RNA پلیمراز که مولکول‌های RNA هستند که می‌توانند کپی‌هایی از رشته‌های RNA دیگر بسازند، بررسی کرده‌اند. در طول دهه گذشته، جویس و گروه تحقیقاتی‌اش در حال توسعه ریبوزیمهای RNA پلیمراز در آزمایشگاه بوده‌اند و از نوعی تکامل هدایت شده برای تولید نسخه‌های جدید با قابلیت تکثیر مولکول‌های بزرگتر استفاده کرده‌اند. اما بیشتر آنها با یک نقص مهلک همراه بوده‌اند: آنها نمی‌توانند دنباله‌ها را با دقت کافی و بالا، کپی کنند. در طول چندین نسل، خطاهای زیادی به دنباله وارد می‌شود که رشته‌های RNA حاصل، دیگر شبیه توالی اصلی نیستند و عملکرد خود را به‌طور کامل از دست می‌دهند.

آخرین ریبوزیم RNA پلیمراز توسعه یافته در آزمایشگاه شامل تعدادی جهش حیاتی است که به آن امکان می‌دهد رشته‌ای از RNA را با دقت بسیار بالاتر کپی کند.

در این آزمایش‌ها، رشته RNA کپی شده یک سر چکش است که یک مولکول کوچک که است سایر مولکول‌های RNA را به قطعات تقسیم می‌کند. محققان با شگفتی متوجه شدند که نه تنها ریبوزیم RNA پلیمراز به طور دقیق سر چکش‌های عملکردی را تکرار می‌کند، بلکه با گذشت زمان، تغییرات جدیدی از سر چکش‌ها شروع به ظهور کردند. این گونه‌های جدید عملکرد مشابهی داشتند، اما جهش‌های آن‌ها تکثیر آن‌ها را آسان‌تر کرد، که همین مسئله باعث افزایش تناسب تکاملی آن‌ها شد و باعث شد در نهایت بر جمعیت سر چکشی آزمایشگاه تسلط پیدا کنند.

نیکولاوس پاپاستاورو، نویسنده اول این تحقیق می‌گوید: ما مدت‌ها متعجب بودیم که زندگی در آغاز چقدر ساده بود و چه زمانی توانایی شروع به بهبود خود را پیدا کرد. این مطالعه نشان می‌دهد که طلوع تکامل می‌توانست خیلی زود و بسیار ساده باشد. چیزی در سطح مولکول‌های منفرد می‌تواند تکامل داروینی را حفظ کند و این ممکن است جرقه‌ای باشد که به زندگی امکان پیچیده‌تر شدن را می‌دهد و از مولکول‌ها به سلول‌ها و ارگانیسم‌های چند سلولی تبدیل می‌شود.

یافته‌های این مطالعه، اهمیت حیاتی وفاداری همانندسازی را در امکان تکامل نشان می‌دهد. دقت کپی RNA پلیمراز باید از یک آستانه بحرانی برای حفظ اطلاعات وراثت‌پذیر در طول چندین نسل فراتر رود و این آستانه با افزایش اندازه و پیچیدگی RNA های در حال تکامل، افزایش می‌یابد.

آینده تحقیقات RNA و زندگی خودمختار

گروه تحقیقاتی جویس که در حال بازآفرینی این فرآیند در لوله‌های آزمایشگاهی است، با اعمال فشار انتخابی فزاینده بر روی یک سیستم برای تولید پلیمرازهایی با عملکرد بهتر، قصد دارد یک روز RNA پلیمرازی را تولید کند که بتواند خود را تکثیر کند. این آغاز زندگی RNA خودمختار در آزمایشگاه است که به گفته محققان می‌تواند در دهه آینده انجام شود.

همچنین دانشمندان به این موضوع علاقه‌مند هستند که وقتی این دنیای RNA کوچک استقلال بیشتری به دست آورد، چه اتفاقاتی ممکن است رخ دهد.

دیوید هورنینگ، یکی از محققان این مطالعه گفت: ما دیده‌ایم که فشار انتخاب می‌تواند عملکرد موجود  RNA‌ها را بهبود بخشد، اما اگر اجازه دهیم سیستم برای مدت طولانی‌تری با جمعیت‌های بزرگ‌تری از مولکول‌های RNA تکامل یابد، آیا می‌توان توابع جدیدی اختراع کرد؟ ما مشتاقیم پاسخ دهیم که چگونه زندگی اولیه می‌تواند پیچیدگی خود را با استفاده از ابزارهای توسعه یافته در آزمایشگاه سالک افزایش دهد.

همچنین روش‌های مورد استفاده در آزمایشگاه جویس، راه را برای آزمایش‌های آینده به‌منظور بررسی ایده‌های دیگر درباره منشأ حیات، از جمله اینکه چه شرایط محیطی می‌توانست به بهترین شکل از تکامل RNA، چه در زمین و چه در سیارات دیگر، پشتیبانی کند، هموار می‌کند.

(زیرنویس تصویر: یافته‌های جدید موسسه Salk شواهد قوی برای فرضیه RNA World ارائه می‌کند و یک آنزیم RNA را نشان می‌دهد که به دقت رشته‌های RNA را تکثیر و تکامل می‌دهد. این کشف بر نقش موثر RNA در تکامل اولیه تأکید می‌کند و دانشمندان را به سنتز حیات مبتنی بر RNA نزدیک‌تر می‌کند و بینش‌هایی درباره منشاء و پیچیدگی حیات ارائه می‌دهد)