Újabb lépések az élet kialakulásának megértéséhez

A biológia egyik legösszetettebb kérdése: hogyan álltak össze az ősi szerves molekulák ahhoz, hogy kialakítsák az élet alapjait? 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, és az enzimműködést is RNS-molekulák biztosították. Ennek az RNS-világnak lehetett a tagja a legújabb eredmények alapján LUCA, minden mai élőlény "anyja" is.

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. Ezeknek az RNS-eknek - akárcsak a DNS-eknek - a szintéziséhez azonban fehérjemolekulák (enzimek) szükségesek.

Egyelőre rejtély, hogy az evolúció során miképpen zajlott a nukleinsavak és fehérjék "egymáshoz idomulása". Ahogyan azt Csermely Péter Az élet születésének biokémiája című cikkében olvashatjuk, 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 (ezek az úgynevezett ribozimok). Az RNS-ek enzimatikus aktivitása felvetette a gondolatot, hogy a fehérjék és a 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 az információ átírásának szerepét. Az evolúció e feltételezett lépcsőfokát "RNS-világ"-nak, az ebben az időszakban élt hipotetikus élőlényeket pedig ribo-organizmusoknak nevezték el.

Az RNS és a DNS szerkezetének összehasonlítása

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.

Mind a mai napig azonban jelentős gondot okoz az RNS-világ mellett lándzsát törő kutatóknak, hogy az élet kialakulásának korai szakaszában nagy valószínűséggel még nem léteztek enzimaktivitású molekulák, az RNS-enzimek szintetizálásához azonban eddig mindig szükség volt más enzimek közreműködésére.

RNS-szintézis enzimek nélkül: a kulcs a megfelelő pH és hőmérséklet

Olasz kutatóknak nemrég egy egyszerű kísérlet segítségével sikerült közelebb jutni a fenti probléma megoldásához. Működőképes RNS-enzimet ugyan még nem tudtak előállítani enzimek nélkül, de az eddigieknél jóval hosszabb (százas nagyságrendű építőelemből, úgynevezett nukleotidból) álló RNS-molekulákat szintetizáltak "kémcsőben". Egy ilyen hosszúságú RNS-molekuláknak már komolyabb enzimaktivitása is lehetett az élet hajnalán: a legegyszerűbb ismert RNS-enzim pusztán hat nukleotidból, három uracilból és három adeninből áll (UUUAAA).

Az RNS normális esetben egyszerre egy nukleotiddal bővül, úgy növekszik fokozatosan, mint az egymáshoz kapcsolt láncszemekből álló lánc. Noha az RNS növekedése enzimek nélkül is lejátszódik, a folyamat olyan lassú, hogy a keletkező RNS-szál csupán néhány bázis hosszúságú lesz. Ennek oka, hogy amint nukleotidok kapcsolódnak a lánc egyik végéhez, ezzel egy időben könnyen le is törhetnek a szál másik végéről.

Ernesto Di Mauro és munkatársai azt vizsgálták, létezik-e olyan mechanizmus, amellyel le lehetne győzni ezt a termodinamikai akadályt. Rövid RNS-szakaszokat inkubáltak különböző hőmérsékletű és pH-jú vízben. Azt tapasztalták, hogy kedvező körülmények között (savas környezetben és 70 Celsius-foknál alacsonyabb hőmérsékleten) a 10-24 nukleotid hosszúságú RNS-darabkák rendszerint 14 órán belül nagyobb töredékekké egyesültek.

Az RNS-töredékek kétszálú szerkezetekké álltak össze, majd a végük összekapcsolódott. A töredékeknek nem kellett egyforma méretűeknek lenniük, de a reakciók hatékonysága a darabok nagyságától (a nagyobb méret előnyösebb volt, noha a hatékonyság újra csökkent, miután a szál hosszúsága elérte a 100 nukleotidos hosszúságot), valamint a töredékek szekvenciájának hasonlóságától függött.

A JBC (Journal of Biological Chemistry) online kiadásában megjelent cikkükben a kutatók megjegyzik, hogy ez a spontán fúzió vagy ligáció egyszerű módja annak, hogy az RNS leküzdje a növekedés kezdeti akadályait, és biológiailag jelentős méretet érjen el. Nagyjából 100 nukleotidos hosszúság körül ugyanis az RNS-molekulák funkcionális, háromdimenziós alakzatokba kezdenek rendeződni.

Két szék között földre ültek az RNS-ek

Az új eredmények alapján is 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, lásd a fenti ábrán), amely így jóval kevésbé van kitéve a környezet ártalmainak. A DNS-molekulák megjelenése után tehát az RNS már nem bizonyult elég "megbízhatónak" (stabilnak) ahhoz, hogy felvegye az információtárolásért folyó versenyt egy jóval konzervatívabb molekulatípussal.

A RNS-ek enzimként való kiszorítását viszont a kicsi és "buta" őseikből egyre bonyolultabbá és sokoldalúbbá váló fehérjemolekulák végezhették el. 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 ültek, s mindkét fontos szerepüket elvesztették. A mai biológiai folyamatokban csak közvetítő szerepre vannak kárhoztatva a DNS-molekulák és a fehérjék között.

LUCA is az RNS-világban élhetett

Az a hipotetikus organizmus, amelytől minden mai élőlény származik, mintegy 3,8-4 milliárd éve bukkanhatott fel a Földön. A jelenleg leginkább elfogadott nézetek szerint - a mai élőlények közös genetikai örökségének elemzése alapján - ez az "utolsó univerzális közös ős" (angolul Last Universal Common Ancestor, röviden LUCA) egy szélsőségesen melegkedvelő (hipertermofil) egysejtű szervezet lehetett, amely a mai mélytengeri füstölgőkhöz hasonló kemény környezetben élhetett.

Ennek ellentmondó eredményeket közöltek most kanadai és francia genetikusok (Université de Montréal), akik szerint LUCA jóval szelídebb körülmények között élt: a feltételezett 90 Celsius-fok feletti hőmérsékletek helyett "csak" körülbelül 50 Celsius-fokon.

Ha ez valóban így volt, akkor viszont LUCA lehetett ribo-organizmus, azaz az RNS-világ képviselője is: az alacsonyabb hőmérsékleten ugyanis stabilak maradhattak az RNS-molekulák, nem kellett még feltétlenül a masszívabb DNS-t alkalmazni.

A kutatók szerint tehát LUCA hűvösebb tengeri környezetekben fejlődhetett ki, és leszármazottai, a már DNS-t használó ősi baktériumok és archaeák (lásd a keretes írást) voltak azok, amelyek fokozatosan alkalmazkodtak az egyre forróbb környezetekhez, közelebb merészkedve a tápanyagokat bőségesen ontó mélytengeri füstölgők szívéhez.

Archaeák és az élővilág háromdoménes rendszere

Az élővilág három nagy birodalma (doménje). A rendszert Carl Woese dolgozta ki a múlt század második felében. Az élővilág filogenetikus osztályozásának legmagasabb egységeit az archaeák (Archaea), a baktériumok (Bacteria) és az eukarióták alkotják.

Az archaeák és a baktériumok csoportja a korábbi prokarióták kettéválasztásával jött létre. Az archaeák felépítése hasonló a baktériumokéhoz, de elkülönítésüket számos jellemzőjük indokolja. Ezek közé tartozik például, hogy genetikai anyaguk átírása (transzkripció) és "lefordítása" (transzláció) sok szempontból az eukarióta szervezetekben megfigyeltekhez hasonló, valamint az archaeák lipidjeinek szerkezete eltér mind a baktériumokban, mind az eukariótákban található lipidekétől. Az archaeákra korábban szinte kizárólag extrém - például szélsőségesen forró, oxigénhiányos - környezetekben bukkantak rá, de a tudósok újabban egyre több "normális" környezetben élő archaeát fedeznek föl.