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.

A kutatók nagy része egyetért abban, hogy a mai élőlényekre jellemző DNS-alapú információtárolás és fehérjealapú enzimatikus aktivitás előtt, az élet kialakulásának hajnalán mindkét funkciót egyetlen molekula, a DNS-nél egyszerűbb felépítésű RNS látta el. Ez lehetett az "RNS-világ" - mintegy 4 milliárd évvel ezelőtt -, ahol a genetikai információ RNS-ben tárolódott, és a mai fehérjeenzimek feladatát is RNS-ek végezték a legelső hipotetikus sejtekben (az ún. ribo-organizmusokban). Ezen ősi állapotok "maradványai" lehetnek az 1982-ben mai élőlényekben felfedezett enzimaktivitású RNS-ek, rövidebben ribozimek.

Az elmélet egyik legtöbbet támadott pontja az, hogy ezek a korai RNS-ek nem tudták megfelelően továbbadni a genetikai információt, vagyis az ősi RNS-géneket. Ez azzal magyarázható, hogy a másoláskor állandóan mutációk keletkeztek bennük, és ekkor az ezeket javító fehérjeenzimek még nem voltak jelen. Minél nagyobb volt egy ribo-organizmus genetikai állománya, annál több mutáció halmozódhatott fel benne, míg végül működésképtelenné vált.

Elméleti megfontolások miatt eddig úgy vélték, hogy a korai RNS-molekulák nem lehettek hosszabbak kb. száz nukleotidnál (a nukleinsavak, így az RNS és a DNS is ezek összekapcsolódásából épülnek fel), ami egyetlen rövid génhez lehetett elegendő. Egy egy "minimál-sejt" működéséhez viszont ennel sokkal több génre van szükség, továbbá az egyes géneknek is hosszabbnak kell lenniük.

A Collegium Budapest kutatói Szathmáry Eörs evolúcióbiológus (balra) vezetésével fontos adalékot szolgáltatnak a probléma megoldásához. Eredményeik szerint a korai RNS-ek sokkal "szívósabbak" voltak, mint ahogyan azt eddig képzelték, és a mutációk nem szabhattak gátat nagy, komplex formáik fennmaradásának - így a korai, RNS-alapú életformák létezésének sem.

Szathmáry és kollégái két ma is létező és működő ribozimen (egysejtű gombából, illetve vírusokból) vizsgálták a mutációk hatását. Kiderült, hogy az egyedi mutációk zöme nem befolyásolja a molekula alakját, ha pedig egyszerre több mutáció lép fel, akkor ez ellensúlyozhatja a káros mutációkat. Eredményeik alapján úgy becsülik, hogy a korai RNS-molekulák az eddig gondoltnál akár egy nagyságrenddel is hosszabbak lehettek, és a korai ribo-organizmosokban akár 100 egyszerű gén is lehetett - ez már közel áll ahhoz a minimális mennyiséghez, amelyre a feltételezések szerint egy korai életformának szüksége lehetett.

Kun Ádám, a kutatócsport tagja, a tanulmány első szerzője az [origo]-nak elmondta: "A kutatás 2003 őszén kezdődött és körülbelül másfél évet vett igénybe. Az RNS molekulák másodlagos szerkezetének jóslása húsz éve lehetséges, s legalább 10 éve ismert, hogy az RNS szekvenciájának kisebb változásai ritkán változtatják meg a molekula térszerkezetét. Mindennek ellenére előttünk senki nem próbálta ennek alapján újragondolni a hibaküszöb problémáját. Ezt követte a megfelelő molekula kiválasztása. Több száz közlemény átolvasása után kiderült, hogy elegendő információ csak viszonylag kevés molekuláról áll rendelkezésre (s ezek közül is csak háromra alkalmazható a szerkezetet jósló módszer). Végül körülbelül húsz közlemény alapján építettük fel a modell magját szolgáltató rátermettség-függvényt, ami minden lehetséges RNS-szekvenciához megadja, hogy mekkora enzimaktivitása lehet. Pár hónappal a kutatás kezdete után már megvolt a remélt - s a tudományban áttörést jelentő - eredmény alapja. Ezek az eredmények azonban csak azt mutatták, hogy jó felé haladunk. A pontos végeredményekhez rengeteg számolást kellett még végrehajtanunk. Kezdetben is több 3+ GHz sebességű számítógép dolgozott a problémán, később már szuperszámítógépeket is segítségül hívtunk. Az RNS molekulák dinamikájának szimulációja így is majdnem egy évet vett igénybe. Megérte."

Szathmáry és kollégái beszámolója - amelyre máris "mérföldkőként" hivatkoznak külföldi kutatók - a Nature Genetics legújabb számában jelent meg. Amennyiben az eredmények megerősítést nyernek, valóban elhárul az egyik legkomolyabb akadály a "ribo-organizmusok" létezése elől - a nagy kérdés már "csak" az marad, mikor és hogyan jelentek meg.

Szathmáry Eörs tagja annak a magyar kutatócsoportnak is, amely egy elméleti lehetőséget kínál a Mars felszínén jelenlévő különleges foltok biogén magyarázatára.