Tajemnice początków życia. Deszczówka mogła być kluczowym składnikiem

Woda deszczowa mogła pomóc wczesnym strukturom RNA rozwinąć się w protokomórki, tworząc wokół nich bariery ochronne. W ten sposób krople deszczu mogły wspomagać ich ewolucję w złożone formy życia.

Podstawowym pytaniem dotyczącym początków życia jest to, w jaki sposób RNA unoszące się w pierwotnej zupie przekształciło się w chronione błoną komórki. W nowych badaniach naukowcy z Uniwersytetu w Houston oraz z Uniwersytetu w Chicago, w tym laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny Jack Szostak zasugerowali, że w utworzeniu pierwszych ścian protokomórek pomogła woda deszczowa.

Rezultaty oraz opis badań ukazał się w "Science Advances" (DOI: 10.1126/sciadv.adn9657).

Naukowcy w swoich pracach skupili się na tzw. koacerwatach. To duże, naturalnie występujące skupiska cząsteczek, takich jak białka, lipidy czy RNA, samoistnie tworzące się w niejednorodnych mieszaninach dwóch substancji, gdzie jedna z nich jest rozproszona w drugiej. Wyglądem przypominają krople kuchennego oleju w wodzie. Te bezbłonowe kropelki koacerwatów od dawna były uważane za kandydatów na pierwsze protokomórki. Mogą rosnąć, dzielić i koncentrować w sobie RNA.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Jednak szybka wymiana cząsteczek między koacerwatami oznacza, że ​​poszczególne kropelki nie mogłyby utrzymać swojej odrębnej tożsamości genetycznej. Każda kropla zawierająca nową, potencjalnie użyteczną mutację RNA, wymieniłaby to RNA z innymi kroplami w ciągu kilku minut, co oznaczałoby, że wszystkie szybko stałyby się takie same. Nie byłoby różnicowania ani konkurencji, zatem ewolucja nie byłaby możliwa. A to oznacza brak życia.

Uczeni zastanawiali się, co było najwcześniejszą cząsteczką życia? Niektórzy badacze rozważali, że pierwsze było DNA lub białka. - To jak problem jajka i kury. Co było pierwsze? DNA to cząsteczka, która koduje informacje, ale nie może pełnić żadnej funkcji. Białka to cząsteczki, które wykonują funkcje, ale nie kodują żadnej informacji – powiedział Aman Agrawal z Uniwersytetu w Chicago.

Szostak zaproponował koncepcję, że to RNA rozwinęło się jako pierwszy materiał biologiczny, a DNA i białka z niego ewoluowały. - RNA to cząsteczka, która podobnie jak DNA może kodować informacje, ale zwija się jak białka, dzięki czemu może również wykonywać funkcje - powiedział Agrawal.

RNA było prawdopodobnym kandydatem na pierwszy materiał biologiczny, a krople koacerwatu były prawdopodobnymi kandydatami na pierwsze protokomórki. Krople koacerwatu zawierające wczesne formy RNA wydawały się naturalnym kolejnym krokiem, ale w 2014 r. Szostak wylał zimną wodę na tę teorię, publikując artykuł, w którym wykazał, że RNA w kroplach koacerwatu wymienia się zbyt szybko. - Można tworzyć wszelkiego rodzaju krople różnych typów koacerwatów, ale nie zachowują one swojej odrębnej tożsamości. Mają tendencję do zbyt szybkiej wymiany zawartości RNA. To problem, który można częściowo przezwyciężyć, przenosząc krople koacerwatu do wody destylowanej – na przykład deszczówki lub innej słodkiej wody. Uzyskują one wówczas rodzaj twardej skóry, która uniemożliwia im szybką wymianę zawartości RNA – wyjaśnił Szostak.

Agrawal zaczął przenosić krople koacerwatu do wody destylowanej podczas swoich badań doktoranckich na Uniwersytecie w Houston, sprawdzając ich zachowanie w polu elektrycznym. Jego celem były badania innych podstawowych właściwości koacerwatów, ale cel się zmienił podczas niezobowiązującego lunchu, który spożywał ze swoim promotorem profesorem Alamgirem Karimem oraz jego znajomym Matthew Tirrellem, ekspertem w dziedzinie inżynierii molekularnej. Uczeni rozważali kwestię, w jaki sposób badania nad wpływem wody destylowanej na krople koacerwatu mogą mieć związek z pochodzeniem życia na Ziemi. Tirrell niespodziewanie zadał pytanie, czy 3,8 miliarda lat temu na Ziemi mogła istnieć woda destylowana? - Spontanicznie powiedziałem "deszczówka". Jego oczy rozbłysły i był widać, że jest bardzo podekscytowany tą sugestią — powiedział Karim.

Tirrell przedstawił badania Agrawala Szostakowi. Pracując z próbkami RNA Szostaka, Agrawal odkrył, że przeniesienie kropel koacerwatu do wody destylowanej wydłużyło skalę czasową wymiany RNA z zaledwie kilku minut do kilku dni. Było to wystarczająco długo na mutację, konkurencję i ewolucję.

- Populacja protokomórek, które są niestabilne, wymieni się między sobą materiałem genetycznym i staną się klonami. Nie ma możliwości ewolucji darwinowskiej – powiedział Agrawal. - Ale jeśli ustabilizują się przeciwko wymianie, w taki sposób, że będą wystarczająco dobrze przechowywać swoją informację genetyczną, przynajmniej przez kilka dni, aby mutacje mogły wystąpić w ich sekwencjach genetycznych, populacja może ewoluować – dodał.

Początkowo Agrawal eksperymentował z wodą oczyszczaną w warunkach laboratoryjnych, która nie zawiera soli ani zanieczyszczeń i ma neutralne pH, ale jest ona daleka od tego, co można spotkać w naturze. Dlatego zaczął prowadzić badania z deszczówką zbieraną w Houston. Testował w niej stabilność kropel koacerwatów. W testach z prawdziwą wodą deszczową i wodą laboratoryjną zmodyfikowaną tak, aby naśladowała kwasowość wody deszczowej, uzyskał te same wyniki. Na kroplach powstawały siateczkowate ściany, tworząc warunki, które mogły doprowadzić do powstania życia.

Skład chemiczny obecnej deszczówki z Houston znacznie różni się od składu deszczów padających 750 milionów lat po uformowaniu się Ziemi. Zresztą to samo można powiedzieć o modelowym systemie protokomórek badanym przez Agrawala. Jednak prace te wskazują, że testowany przez naukowców scenariusz rozwoju życia na Ziemi był możliwy.

Źródło: University of Chicago, fot. Pixabay/ CC0