Közelebb az élet titkához - magyar kutatók úttörő eredményei

Mérföldkő lehet az élet kialakulása rejtélyének megértésben az az eredmény, amelyet Szathmáry Eörs evolúcióbiológus és kollégái közöltek a Nature Genetics hasábjain. Kísérleteik megoldást kínálnak a korai életformák információtárolásával kapcsolatos alapvető problémára.

Az élet kialakulásának tyúk-tojás problémája

A ritka és különleges információátviteli módszereket alkalmazó RNS-vírusok kivételével, vagyis gyakorlatilag az összes élőlényben a dezoxiribonukleinsav (DNS)-molekulákban tárolódik a genetikai információ. Ez a fehérjeszintézis során fordítódik le a fehérjék nyelvére, vagyis a DNS molekula értelmes szakaszai, a gének kódolják a fehérjéket (az RNS-vírusok megismeréséig ez volt a genetika centrális dogmája). A fehérjeszintézishez szükséges folyamatokat azonban fehérjemolekulák (enzimek) segítik elő (katalizálják). Ami a mi szempontunkból most még fontosabb, hogy a DNS-molekulák megkettőződéséhez, vagyis a genetikai információ másolásához is fehérjék szükségesek.

A mai biológiai folyamatokban tehát teljesen egyértelmű a DNS és a fehérjék kapcsolata (a teljesség kedvéért jegyezzük meg, hogy a DNS szerkezetének kialakításában is fehérjék vesznek részt). A DNS a minta, a fehérjék a katalizátor szerepét töltik be. Mindkettő nélkülözhetetlen egy élő organizmus számára.

A nukleinsavaknak létezik egy másik, a DNS-től csak kis mértékben eltérő csoportja is, az ún. ribonukleinsavak (RNS). A kettős spirált formázó DNS-sel szemben az RNS-molekulák egyszálúak, azaz egy láncból épülnek fel. Jelenlegi biológiai aktivitásuk többféle, s a fehérjeszintézis folyamatában vesznek részt, a DNS információjának közvetítőiként működve.

Valószínűnek tűnik, hogy a kémiai evolúció során az RNS-molekulák jelentek meg először, s ezek továbbfejlődése vezethetett a sokkal stabilabb DNS-molekulák kialakulásához. Az első sejtekben tehát az információtárolás szerepét az RNS tölthette be.

Nagy rejtély azonban, hogy az evolúció során miképpen zajlott nukleinsavak és fehérjék "egymáshoz idomulása". Ez a kérdés a molekuláris biológia "tyúk-tojás problémájának" tekinthető: a fehérjék alkalmazkodtak a nukleinsavakhoz, vagy a nukleinsavak a fehérjékhez? Melyikük jött létre elsőként? Amennyiben a nukleinsavak jelentek meg előbb az élet kialakulását megelőző kémiai evolúció során, akkor hogyan voltak képesek viszonylag pontosan lemásolni önmagukat - fehérjék nélkül? Amennyiben pedig a fehérjék voltak az elsők, milyen információk, milyen minta alapján készültek? Hogyan zajlott az információ továbbadása?

Az RNS-világ felfedezése

A múlt század hatvanas és hetvenes éveiben a fehérjék tűntek a "mérkőzés" győztesének, 1982-ben azonban felfedezték, hogy egyes természetes biokémiai folyamatokban nem fehérjék, hanem RNS-molekulák szerepelnek biokatalizátorként, azaz enzimként (ún. ribozimek). Az RNS-ek enzimatikus aktivitása felvetette a gondolatot, hogy a fehérjék és nukleinsavak evolúciós "összehangolódása" előtt az élet (de legalábbis a kialakulásához vezető folyamat) egy olyan állapotban létezhetett, amelyben az RNS-molekulák töltötték be mind az információtárolás, mind pedig a katalizatorok (enzimek) szerepét. Az evolúció e feltételezett lépcsőfokát "RNS-világ"-nak nevezték el.

Az RNS-világ feltámasztása

Néhány dolog azonban sokáig megakadályozta, hogy az evolúcióbiológusok többsége magáévá tegye az RNS-világ elképzelését. Az egyik, hogy eddig mindössze nyolc, természetes körülmények között előforduló RNS-enzimet sikerült felfedezni, ami igen kevés az egykori RNS-világ enzimatikus folyamatainak katalizálásához. A másik, hogy az RNS-enzimek a fehérjékhez képest igen nehézkes és megbízhatatlan enzimeknek bizonyultak.

Az elmúlt évtizedben - egyre kifinomultabb technológiákkal - különféle RNS-enzimek sokaságát szintetizálták a laboratóriumokban. Abból indultak ki, hogy amennyiben mesterséges úton sikerül megfelelő aktivitású RNS-enzimeket előállítani, úgy feltehetjük, hogy ilyenek egykor természetes állapotban is léteztek, csak azóta eltűntek az élet színpadáról.

Egy enzim megtervezése igen nehéz feladat. A kutatók a nagy számok törvénye alapján dolgoznak: egy-egy kísérletsorozat során több ezer-milliárd (!), véletlenszerűen felépülő RNS-molekulát állítanak elő, majd egy gyorsított, kémcsőben zajló evolúciós folyamat során különítik el közülük azokat, amelyek a remélt tulajdonságokat mutatják.

Egy 1993-as kísérletben a Harvard Egyetem kutatói azt találták, hogy 65 újonnan szintetizált RNS-enzim "leszármazottai" mintegy százszor hatékonyabb enzimműködést produkáltak őseiknél. Valóban evolúcióról van szó: az RNS-enzimek állandóan fejlesztik magukat.

Hová tűnt később e mainál jóval egyszerűbb molekuláris világ?

Könyv és hirdetőoszlop: két szék között földre ültek az RNS-ek

Valóban lehetséges tehát, hogy a genetikai információ másolását, az élethez szükséges egyik alapvető folyamatot egykor az enzimaktivitású RNS-molekulák látták el, s ugyancsak RNS- molekulák hordozták a genetikai információt is. Egy fenékkel (molekuláris szerkezettel) azonban nem lehet két lovat megülni, így az RNS-világnak idővel bealkonyult.

Az élet ugyanis "rájött" arra, hogy a genetikai állomány tárolása sokkal biztonságosabb, ha az információt hordozó szerves bázisokat két stabil molekulalánc közé zárja be (a DNS két cukorfoszfát lánca közé), amely így jóval kevésbé van kitéve a környezet ártalmainak. (Dr. Koch Sándor orvos-biológus az Uránia Csillagvizsgálóban tartott élvezetes előadásán ezt azzal a példával szemléltette, hogy a DNS egy csukott, keménytáblás könyvhöz hasonló, ahol a lapokban rejlő információt a borítók védik.) A DNS-molekulák megjelenése után tehát az RNS már nem bizonyult elég "megbízhatónak" (stabilnak) ahhoz, hogy felvegye az információtárolásért folyó versenyt egy jóval konzervatívabb molekula-típussal.

A RNS-ek enzimként való kiszorítását viszont a kicsi és "buta" őseikből egyre bonyolultabbá és sokoldalúbbá váló fehérjemolekulák végezhették el, mivel ezek éppen a rugalmasság és a változékonyság szimbólumai ebben az összehasonlításban (legalábbis ami az ún. aktív centrumukat, tehát a biokémiai folyamatokban ténylegesen szereplő részletüket illeti; a korábbi hasonlatra visszatérve egyfajta "hirdetőoszlopként" teszik közszemlére tulajdonságaikat). A dinamikus fehérjemolekulákhoz képest az RNS-ek bizonyultak konzervatívnak - szerkezetük nem tette lehetővé azt az aktivitást, ami a fehérjékre volt jellemző.

Az egykor alapvető és úttörő szerepet játszó RNS-ek tehát két szék között a földre ülhettek, s mindkét fontos szerepüket elvesztették. A mai biológiai folyamatokban csak közvetítő szerepre vannak kárhoztatva csukott könyvek és hirdetőoszlopok, DNS-molekulák és fehérjék között. Talán az is szép teljesítmény, hogy így is képesek voltak megőrizni nélkülözhetetlenségüket: a fehérjeszintézisben a mai napig is főleg RNS-molekulák vesznek részt, magát a peptidkötést is RNS alakítja ki a riboszómák (a fehérjeszintézis helyszínéül szolgáló sejtszervecskék) belsejében. Mesterséges ribozimokkal a fehérjeszintézis minden lépése véghezvihető.

Simon Tamás