Originea moleculară a vieții: ce s-a format mai întâi – proteină, ADN sau ARN sau o combinație a acestora?

„S-au răspuns la câteva întrebări despre originea vieții, dar mai rămân multe de studiat”, au spus Stanley Miller și Harold Urey încă din 1959, după ce au raportat sinteza de laborator a aminoacizilor în condițiile pământului primitiv. Multe progrese pe linie, dar oamenii de știință s-au confruntat de mult cu o întrebare fundamentală - care material genetic a fost primul care s-a format pe pământul primitiv, ADN-ul or ARN, sau un pic din ambele? Acum există dovezi care să sugereze asta ADN-ul și ARN ambele pot să fi coexistat în supa primordială de unde formele de viață au evoluat cu materialele genetice respective.

Dogma centrală a biologiei moleculare afirmă că ADN-ul face ARN face proteine. Proteine sunt responsabili pentru majoritatea, dacă nu toate reacțiile care au loc într-un organism. Întreaga funcționalitate a unui organism depinde în mare măsură de prezența și interacțiunea acestora proteină molecule. Conform dogmei centrale, proteine sunt produse de informațiile conținute în ADN-ul care este transformat în funcțional proteină prin intermediul unui mesager numit ARN. Cu toate acestea, este posibil ca proteine ei înșiși pot supraviețui independent fără niciunul ADN-ul or ARN, așa cum este cazul prionilor (pliați greșit proteină molecule care nu conțin ADN-ul or ARN), dar pot supraviețui singuri.

Astfel, pot exista trei scenarii pentru originea vieții.

A) Dacă proteine sau blocurile sale de construcție au putut să se formeze abiotic în timpul atmosferei care a existat cu miliarde de ani în urmă în supa primordială, proteine poate fi numit ca bază a originea vieții. Dovezile experimentale în favoarea ei provin din celebrul experiment al lui Stanley Miller^{1, 2}, care a arătat că atunci când un amestec de metan, amoniac, apă și hidrogen sunt amestecați împreună și circulat pe lângă o descărcare electrică, se formează un amestec de aminoacizi. Acest lucru a fost din nou coroborat șapte ani mai târziu³ în 1959, de către Stanley Miller și Harold Urey, afirmând că prezența atmosferei reducătoare în pământul primordial a dat naștere la sinteza organic compuși în prezența gazelor menționate mai sus plus cantități mai mici de monoxid de carbon și dioxid de carbon. Relevanța experimentelor Miller-Urey a fost pusă la îndoială de fraternitatea științifică timp de un număr de ani, care a considerat că amestecul de gaze folosit în cercetările lor este prea reducător în raport cu condițiile care existau pe Pământul primordial. O serie de teorii au indicat o atmosferă neutră care conține un exces de CO2 cu N2 și vapori de apă⁴. Cu toate acestea, o atmosferă neutră a fost, de asemenea, identificată ca un mediu plauzibil pentru sinteza aminoacizilor⁵. În plus, pentru proteine pentru a acționa ca origini ale vieții, ei trebuie să se auto-replica, ducând la o combinație de diferite proteine pentru a răspunde diferitelor reacții care au loc într-un organism.

B) Dacă supa primordială a oferit condiții pentru blocurile de construcție ale ADN-ul şi / sau ARN pentru a fi format, atunci oricare dintre acestea ar fi putut fi materialul genetic. Cercetarea de până acum a favorizat ARN să fie materialul genetic pentru originea formelor de viață datorită capacității lor de a se plia asupra lor însuși, existând ca o singură catenă și acționând ca o enzimă⁶, capabil să facă mai mult ARN molecule. Un număr de enzime ARN auto-replicabile⁷ au fost descoperite de-a lungul anilor sugerând ARN să fie materialul genetic de pornire. Acest lucru a fost întărit și mai mult de cercetările efectuate de grupul lui John Sutherland care au condus la formarea a două baze de ARN într-un mediu similar supei primordiale prin includerea fosfatului în amestec.⁸. Formarea blocurilor de construcție ARN a fost, de asemenea, demonstrată prin simularea unei atmosfere reducătoare (conținând amoniac, monoxid de carbon și apă), similară cu cea utilizată în experimentul lui Miller-Urey și apoi trecerea prin ele a descărcărilor electrice și a laserelor de mare putere.⁹. Dacă se crede că ARN-ul este inițiatorul, atunci când și cum ADN-ul si proteinele iau nastere? Făcut ADN-ul s-a dezvoltat ca material genetic mai târziu din cauza naturii instabile a ARN-ului și proteinele au urmat exemplul. Răspunsurile la toate aceste întrebări rămân încă fără răspuns.

C) Al treilea scenariu conform căruia ADN-ul și ARN-ul pot coexista în supa primordială care a dus la originea vieții a venit din studiile publicate pe 3.^rd Iunie 2020 de grupul lui John Sutherland de la Laboratorul MRC din Cambridge, Marea Britanie. Cercetătorii au simulat condițiile care existau pe un Pământ primordial cu miliarde de ani în urmă, cu iazuri puțin adânci în laborator. Mai întâi au dizolvat substanțele chimice care se formează ARN în apă, urmată de uscarea și încălzirea acestora și apoi de supunerea la radiații UV care simulau razele solare existente în timpul primordial. Acest lucru a dus nu numai la sinteza celor două blocuri de construcție ale ARN dar și de ADN-ul, sugerând că ambii acizi nucleici au coexistat la momentul originii vieții¹⁰.

Pe baza cunoștințelor contemporane existente astăzi și onorând dogma centrală a biologiei moleculare, pare plauzibil ca ADN-ul și ARN-ul co-existat care au condus la originea vieții și formarea proteinelor să fi apărut/a avut loc mai târziu.

Cu toate acestea, autorul dorește să speculeze un alt scenariu în care toate cele trei macromolecule biologice importante, adică. ADN-ul, ARN-ul și proteinele au existat împreună în supa primordială. Condițiile dezordonate care au existat în supa primordială care implică natura chimică a suprafeței pământului, erupții vulcanice și prezența gazelor precum amoniacul, metanul, monoxidul de carbon, dioxidul de carbon împreună cu apă ar fi putut fi ideale pentru formarea tuturor macromoleculelor. Un indiciu în acest sens a fost oferit de cercetările efectuate de Ferus și colab., unde nucleobazele s-au format în aceeași atmosferă reducătoare.⁹ folosit în experimentul lui Miller-Urey. Dacă e să credem în această ipoteză, atunci în cursul evoluției, diferite organisme au adoptat unul sau altul material genetic, care a favorizat existența lor în avans.

Cu toate acestea, pe măsură ce încercăm să înțelegem originea formelor de viață, sunt necesare cercetări suplimentare pentru a răspunde la întrebările fundamentale și pertinente despre modul în care viața a apărut și s-a propagat. Acest lucru ar necesita o abordare „out-of-the-box” fără a ne baza pe orice prejudecăți introduse în gândirea noastră de dogmele actuale urmate în știință.

***

Referinte:

1. Miller S., 1953. A Production of Amino Acids under Possible Primitive Earth Conditions. Ştiinţă. 15 mai 1953: Vol. 117, Issue 3046, pp. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotic Soup–Revisiting the Miller Experiment. Știință 02 mai 2003: Vol. 300, Issue 5620, pp. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Miller SL și Urey HC, 1959. Sinteza compusului organic pe pământul primitiv. Știință 31 iulie 1959: Vol. 130, numărul 3370, p. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Compoziția atmosferică și clima pe Pământul timpuriu. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Publicat:07 septembrie 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. O reevaluare a sintezei organice prebiotice în atmosfere planetare neutre. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Secvenţa intermediară ARN de Tetrahymena este o enzimă. Știință 31 ianuarie 1986: Vol. 231, Issue 4737, pp. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Transcripția catalizată de ribozimă a unei ribozime active. Știință 08 Apr: Vol. 332, numărul 6026, p. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Sinteza ribonucleotidelor pirimidinice activate în condiții plauzibile prebiotic. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Formarea nucleobazelor într-o atmosferă reducătoare Miller–Urey. PNAS 25 aprilie 2017 114 (17) 4306-4311; publicat pentru prima dată 10 aprilie 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. şi colab. 2020 Formarea prebiotică selectivă a ARN-pirimidinei și ADN-ul nucleozide purinice. Nature 582, 60–66 (2020). Publicat: 03 iunie 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***