الكيميائيون يدرسون السلائف المحتملة للحمض النووي الريبي

مصر: ايهاب محمد زايد
اكتشف العلماء لبنات بناء مماثلة لتلك الموجودة في الحمض النووي الريبي الحديث والتي يمكن أن تتجمع بسهولة عند مزجها في الماء وتسخينها.
عندما نجح طلاب نيكولاس في تحويل السلائف الكيميائية إلى جزيء يشبه الحمض النووي الريبي في شكل هلام أصفر ، كتب نيكولاس هود الوصفة المفاجئة.
نيكولاس هود
بالنسبة لنيكولاس هود ، الكيميائي في معهد جورجيا للتكنولوجيا ، جاءت نقطة التحول في يوليو 2012 عندما اندفع اثنان من طلابه إلى مكتبه باستخدام أنبوب صغير من الجل. تمثل المحتويات ، التي بدت وكأنها كتلة من الليمون Jell-O ، ثمار جهد استمر 20 عامًا لبناء شيء يشبه الحياة من نشاز المواد الكيميائية التي كانت متوفرة على الأرض في وقت مبكر.
بالنسبة لبعض علماء الكيمياء الحيوية ، ربما بدت محاولات Hud لإيجاد مقدمة تطورية للحمض النووي الريبي مهمة أحمق. تعتبر النظرية السائدة لشرح أصول الحياة – المعروفة باسم فرضية RNA العالمية – أن الحمض الريبي النووي هو أول جزيء بيولوجي. جاذبيته تأتي من الطبيعة المزدوجة للجزيء. على عكس الحمض النووي ، الجزيء الذي يوفر مخططًا لجميع الكائنات الحية ، يعمل الحمض النووي الريبي كحامل للمعلومات وإنزيم ، يحفز التفاعلات. هذا يعني أن الجزيء لديه القدرة على نسخ نفسه وتمرير شفرته الجينية ، وهما مكونان أساسيان للتطور الدارويني.
إذا كان الحمض النووي الريبي (RNA) هو بالفعل أول جزيء بيولوجي ، فإن اكتشاف كيفية تشكله لأول مرة من شأنه أن يضيء ولادة الحياة. كانت اللبنات الأساسية للـ RNA متاحة على الأرض البريبايوتيكية ، لكن الكيميائيين ، بما في ذلك Hud ، أمضوا سنوات في محاولة تجميعها في جزيء RNA دون نجاح يذكر. منذ حوالي 15 عامًا ، شعر هود بالإحباط من هذا البحث وقرر استكشاف فكرة بديلة: ربما لم يكن الجزيء البيولوجي الأول هو الحمض النووي الريبي ، ولكنه سلف له خصائص مماثلة ويمكنه بسهولة تجميع نفسه من مكونات ما قبل حيوية. ربما تطور الحمض النووي الريبي من هذا الجزيء الأقدم ، تمامًا كما تطور الحمض النووي من الحمض النووي الريبي.
بدأ فريق هود استكشاف هذه الفكرة بوضوح منذ عقد من الزمان. عندما تشكل الجل في عام 2012 ، بعد اختبار العشرات من المواد الكيميائية ، أدرك فريق هود أنه قد حقق تقدمًا كبيرًا في كيمياء عالم أولي ممكن من الحمض النووي الريبي. بعد سنوات من المحاولات الفاشلة ، أنتجت وصفة كيميائية بسيطة بشكل مدهش تكتلًا من الجزيئات الطويلة الشبيهة بالشريط ، والتي يشبه تركيبها ومكوناتها الكيميائية تلك الموجودة في الحمض النووي الريبي.
يقترح الكيميائي نيكولاس هود أن الحمض النووي الريبي تطور من جزيء كان من الأسهل تجميعه على الأرض المبكرة ، كما هو موضح في هذا النموذج.
معهد جورجيا للتكنولوجيا
طلب هود على الفور من الطلاب قراءة البروتوكول الذي استخدموه لرد الفعل ، وكتابته أثناء حديثهم. قال: “أردت أن أتأكد من أننا سنتذكر دائمًا كيف حصلوا على [المنتج النهائي] من خلال هذا الإجراء البسيط”. في ديسمبر 2013 ، تم نشر النتائج في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
قال ستيفن فريلاند ، عالم الأحياء بجامعة ماريلاند مقاطعة بالتيمور ، والذي لم يشارك في الدراسة: “في رأيي ، لم نشهد شيئًا كهذا من قبل”. على الرغم من أنه غير متأكد من أن المواد الكيميائية التي اختارها هود ستنتهي لتكون المكونات الدقيقة للحمض النووي الريبي الأولي ، قال فريلاند إن هود قد “أحرز تقدمًا مفاهيميًا”.
هود ليس أول عالم يستكشف كيمياء بديلة للحمض النووي الريبي. لكن قوة رد فعله فريدة من نوعها – يبدو أن الجزيئات تبحث عن بعضها البعض ، وتتفاعل دون الكثير من الإقناع الكيميائي. يقول هود وآخرون إن سهولة الخلق هذه ضرورية للتفاعلات التي حدثت في المرجل الكيميائي الفوضوي في بدايات الأرض. قال فريلاند: “قبل ذلك ، لم يركز الناس على الوضع في العالم الحقيقي”. “نحن بحاجة إلى شيء قوي للغاية بحيث لا يزال يحدث بغض النظر عن الوضع”.
يختبر فريق هود الآن ما إذا كانت تفاعلاته ستعمل في مزيج فوضوي من الجزيئات أقرب إلى الحساء البدائي.
لا تزال كيمياء هود – ومفهوم proto-RNA بشكل عام – تواجه عقبات. يمتلك جزيئه بنية شبيهة بالبوليمر من وحدات متكررة مشابهة للأحماض النووية. في RNA و DNA ، يعد تسلسل هذه الوحدات ضروريًا لنقل المعلومات ، مما يسمح لهذه الجزيئات بتخزين ونقل رمز الحياة. لكن جزيء هود يستخدم حرفين كيميائيين فقط ، مقارنة بأربعة أحرف RNA ، ويمكن أن تتفكك الوحدات المتكررة بسهولة. هذا يعني أنه لا يحتوي على المحتوى المعلوماتي لـ RNA ، وهي خاصية أساسية للحياة.
يقول مؤيدو فرضية العالم التقليدي للـ RNA أن الانتقال من سلف RNA مثل هود إلى RNA نفسه لا يزال يمثل تحديًا لا يُصدق ، ربما يكون أمرًا شاقًا مثل صنع RNA من الصفر. إذا كانت هذه الجزيئات ناجحة بما يكفي لإطلاق نشأة الحياة ، فأين هي الآن؟
قال جون ساذرلاند ، الكيميائي في مختبر MRC للبيولوجيا الجزيئية في كامبريدج بإنجلترا ، والذي وصف عمل هود بأنه أنيق وحسن الأداء: “بالنسبة لي ، تثير فكرة الحمض النووي الريبي الأولي أسئلة أكثر مما تجيب عليه”. “إذا كان من الصعب جدًا على الحمض النووي الريبي التجميع كيميائيًا ، فكيف يمكن لبيولوجيا بدائية أن تخترع الحمض النووي الريبي؟”
من الحساء إلى الهيكل
في الخلية الحديثة ، يعد تصنيع جزيء الحمض النووي الريبي عملية معقدة تتضمن العديد من الإنزيمات التي تربط السكر (الريبوز) بواحدة من أربعة قواعد نووية – أحرف كيميائية تشكل الشفرة الوراثية وتأتي في النكهات الجوانين والأدينين واليوراسيل والسيتوزين – والفوسفات الذي يشكل العمود الفقري للهيكل. يقوم إنزيم آخر بربط الوحدات المتكررة لكل من هذه المكونات الثلاثة معًا في السلسلة الطويلة من الحمض النووي الريبي.
لكن في الأرض ما قبل الحيوية ، لم تكن هناك إنزيمات. إذن كيف يمكن أن تكون جزيئات الحمض النووي الريبي الأولى؟ وفقًا لفرضية العالم RNA ، اجتمع RNA تلقائيًا من خلال العمليات الجيوكيميائية. أمضى العلماء الذين يدرسون أصول الحياة الأربعين عامًا الماضية في محاولة لمعرفة كيف يمكن أن يحدث هذا بالضبط ، وتحليل المكونات الكيميائية المحتملة للأرض المبكرة وابتكار تفاعلات كيميائية لتوحيدها. قال هود: “إن كيمياء صنع الحمض النووي الريبي (RNA) صعبة للغاية لدرجة أنه من الصعب تخيل أنه يمكن أن يكون لديك تفاعل في وعاء واحد ، حيث تتجمع الجزيئات معًا وتصنع تلقائيًا هذا الجزيء المعقد”.
تمكن العلماء من إنتاج عدد قليل من هذه المكونات بدون إنزيمات. في عام 2009 ، أظهر ساذرلاند ومعاونوه لأول مرة أنه يمكنهم تخليق إحدى الوحدات الأساسية من الحمض النووي الريبي من الصفر. يجادلون بأن الحمض النووي الريبي كان يمكن أن يتشكل بهذه الطريقة في الطبيعة ، لكن هود وفريلاند يقولان إن الظروف الكيميائية الدقيقة والخطوات المطلوبة للتفاعل من غير المحتمل أن تحدث في المرجل الكيميائي الفوضوي للأرض البريبايوتيك.
الفرضية البديلة هي أن الحمض النووي الريبي كما نعرفه قد خضع لتطور كيميائي وبيولوجي كبير. قال أنطونيو لازكانو ، عالم الأحياء بجامعة المكسيك الوطنية المستقلة في مكسيكو سيتي والرئيس السابق للجمعية الدولية لدراسة أصل الحياة الذي لم يشارك في دراسة هود. “يمكن أن يكون لديك جزء كبير من الشفرة الجينية سيكون نتيجة للتطور البيولوجي ومرحلة غير موصوفة إلى حد كبير من التطور الكيميائي.”
فأس جدي
لطالما نظر العلماء في الكيمياء البديلة للحمض النووي الريبي ، حيث يتم تخليق الجزيئات بمكونات غريبة حتى وجدت طريقها إلى تطبيقات التكنولوجيا الحيوية. يتبع نيكولاس هود ، الكيميائي في معهد جورجيا للتكنولوجيا ، نهجًا أوسع – ربما كان كل مكون مختلفًا وتغير كل منهما بمرور الوقت. للتوضيح ، يستخدم هود مفارقة يونانية قديمة تسمى “فأس جدي”: إذا استبدل والدك المقبض وقمت باستبدال الشفرة ، فستكون النتيجة فأسًا جديدًا تمامًا.
قال هود: “الجميع يقبل أن الحمض النووي يأتي من الحمض النووي الريبي ، وأن تكوين الحمض النووي أصعب من الحمض النووي الريبي”. “إذا كنت على استعداد لقبول أن الحمض النووي تطور من الحمض النووي الريبي ، فلماذا لا يكون هذا الحمض النووي نتاجًا لتطور الحمض النووي الريبي الأولي؟”
كان العلماء يفحصون الجزيئات ذات القواعد أو السكريات البديلة تقريبًا منذ اقتراح الحمض النووي الريبي كأول جزيء بيولوجي في الستينيات. لكن هذا النهج يخلق مجموعة هائلة من التباديل الممكنة ، حيث أن كل مكون من المكونات الثلاثة – السكر والفوسفات والقاعدة – له العديد من البدائل المحتملة. قال هود: “الفضاء الكيميائي يصبح هائلاً”. “إنها حقًا مهمة كبيرة أن تعرف ما الذي جاء أولاً.”
بدأ فريق هود بالأسس ، بحثًا عن مرشحين يمكن أن يشكلوا شيئًا مثل الأزواج الأساسية التقليدية من RNA و DNA ، حيث تبحث قواعد معينة عن بعضها البعض مثل العشاق المفقودين ؛ في الحمض النووي الريبي ، يرتبط الأدينين فقط مع اليوراسيل والجوانين مع السيتوزين. هذا الاقتران هو الذي يمكّن الجزيئات من قدرة فريدة على تخزين المعلومات. يعمل كل جزيء كقالب للجيل القادم ، مما يخلق نوعًا من صورة طبق الأصل لسابقه.
لكن هود أراد أيضًا أزواج قاعدية يمكن ، على عكس القواعد التقليدية ، أن تتجمع تلقائيًا في بوليمرات طويلة. قال هود: “إذا كان لديك مزيج معقد من آلاف الجزيئات ، فإن الكيمياء تعتمد على ما يتفاعل بشكل أسرع”. “الجزيئات تحتاج إلى تنظيم نفسها.”
بدلاً من حصر أنفسهم في القواعد الأربعة المستخدمة في الحمض النووي الريبي ، اعتبر أعضاء فريق هود مكتبة تضم ما يقرب من 100 جزيء متشابه من الناحية الهيكلية ، بما في ذلك فقط تلك التي كان من المتوقع وجودها على الأرض البريبايوتيك أو في النيازك ، والتي ربما تكون قد حملت معهم أساسيات مكونات الحياة. قال فريلاند: “نحن أحمق إذا لم نفكر في هذا: إما لماذا اختارت الطبيعة هؤلاء الأربعة أو ما فعلته الطبيعة قبل اختيار هؤلاء الأربعة”.
وصفات جزيئية
في محاولة للعثور على القواعد التي تربط مثل تلك الموجودة في RNA ، بدأ فريق هود في خلط المواد الكيميائية في ظل ظروف مختلفة. بعد عدة سنوات ، استقر الباحثون على عدد قليل من المرشحين الواعدين ، وأبرزهم جزيئين ، تريامينوبيريميدين (TAP) وحمض السيانوريك (CA). في العام الماضي ، في ورقة بحثية نُشرت في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية ، أظهر الباحثون أن نسخة معدلة قليلاً من تريامينوبيريميدين وحمض السيانوريك تتجمع ذاتيًا في الماء ، مما يخلق شيئًا يشبه أزواج القواعد التقليدية. ومع ذلك ، فبدلاً من الثنائي التقليدي للأزواج القاعدية ، الأدينين واليوراسيل أو السيتوزين والجوانين ، تشكل الجزيئات سداسيات ، أو حلقات سداسية الأعضاء. تتراكم السداسيات فوق بعضها البعض ، وتشكل هياكل طويلة تشبه البوليمر. لقد وجدوا اقترانًا كيميائيًا تم تجميعه تلقائيًا في ترتيب معقد يشبه الرنا. قال هود: “لقد فوجئنا بأن الأمر يعمل بشكل جيد”.
شرع فريق هود في معالجة المشكلة التالية في تجميع RNA: كيف ترتبط القواعد بسكر الريبوز؟ في أحدث أوراقهم المنشورة في نفس المجلة ، أظهر الباحثون أن TAP والريبوز يترابطان بسهولة عند مزجهما في الماء ، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات تعرف باسم النيوكليوسيدات. (كانت النتيجة مشجعة بشكل خاص لأن هذه الرابطة كان من الصعب تكوينها بين السكريات وقواعد الحمض النووي الريبي التقليدية). عندما أضاف الباحثون القاعدة الأخرى ، CA ، وقاموا بتسخين الخليط ، تشكلت في بوليمرات طويلة ، بطول الجينات. هذه البوليمرات هي التي تصنع الجل الذي أثار إعجاب فريق هود.
قال فرانك شميت ، عالم الكيمياء الحيوية بجامعة ميسوري في كولومبيا ، والذي لم يشارك في الدراسات: “أعتقد أنها خطوة مهمة لأنها تُظهر أن القوى الفيزيائية التي تربط الجينوم معًا اليوم يمكن إعادة إنتاجها في العالم البدائي”. “لقد أظهر أنه يمكنك البدء بالأشياء النجمية [المواد الكيميائية التي تنتجها النجوم في الأصل] والحصول على شيء به بعض الخصائص الأساسية للحمض النووي الريبي.”
يكمن جمال كيمياء هود في أن التجميع لا يتطلب إنزيمًا أو قالبًا – تتجمع الجزيئات معًا من تلقاء نفسها. وفقًا لنظرية protoRNA ، قد يكون كل مكون من مكونات RNA – السكر والقاعدة والفوسفات – قد اتخذ في الأصل أشكالًا مختلفة.
ومع ذلك ، لا تزال هناك اختلافات مهمة بين بوليمر هود و RNA. قال مايكل ياروس ، عالم الأحياء الجزيئية بجامعة كولورادو في بولدر ، والذي لم يشارك في الدراسات: “تأتي هذه الخصائص الجميلة على حساب الابتعاد عن الكيمياء التي نعرفها جميعًا”. على سبيل المثال ، على عكس الحمض النووي الريبي ، يرتبط كل جزيء في المكدس بنوع ضعيف نسبيًا من الرابطة يعرف باسم الرابطة غير التساهمية. مثل مجموعة من الخرزات المغناطيسية التي يمكن أن تنفصل وتعيد الاتصال ، يمكن للبنية أن تنفصل بسهولة أكبر من الحمض النووي الريبي ، والذي يشبه إلى حد كبير الخرز المعقود على خيط. هذا الهيكل المرن يضعف قدرة البوليمر على تخزين المعلومات بشكل موثوق في تسلسل القواعد ، والتي تشكل رمز الحياة.
تتضمن الأسئلة الكبيرة الأخرى لماذا وكيف يمكن أن تتطور هذه الجزيئات إلى RNAs حديثة ، مع الأخذ في الاعتبار أنه ربما كان من الأسهل على جزيء السلائف الحفاظ على الوضع الراهن. يرى أنصار عالم الحمض النووي الريبي التقليدي هذا على أنه عقبة ضخمة ، لكن هود لا يوافق على ذلك.
يمكن تحويل CA إلى uracil و TAP إلى guanine و adenine مع القليل من التغييرات الكيميائية ، كما قال. يستكشف فريقه الآن قواعد مرشحة أخرى قادرة على تكوين أزواج والتجميع الذاتي باستخدام سكريات الريبوز. يبحث الباحثون أيضًا عن بدائل للمكونات الأخرى للحمض النووي الريبي ، والسكريات والفوسفات ، وكذلك كيفية تجميع النيوكليوزيدات معًا بطريقة تحاكي السلسلة المعقدة من الحمض النووي الريبي.
على الرغم من أن النتيجة النهائية قد تبدو مختلفة تمامًا عن RNA ، إلا أن هود يجادل بأنه نظرًا لأن RNA هو النظام الأعلى ، فإن الانتقاء الطبيعي يفضل تكوينه ويقود سلائفه إلى الانقراض.
حتى أولئك الذين لم يقتنعوا بعالم الحمض النووي الريبي البدائي يقولون إن الأمر يستحق استكشاف الاحتمالات. قال ياروس: “من المهم أن يكون لديك الكثير من الطرق للعثور على المسار الذي حدث بالفعل ، والطريق المحتمل للغاية” ، مضيفًا أن المسافة التي ستقطعها كيمياء هود على طول مسار الاحتمال هذا لم يتضح بعد.
يبحث آخرون في مجموعة أوسع من البدائل الكيميائية. في ورقة بحثية نُشرت في نوفمبر 2013 ، استخدم فريلاند والمتعاون معه جيم كليفز ، الكيميائي في معهد علوم الحياة الأرضية في طوكيو ، طرقًا حسابية لفحص الأحماض الأمينية البديلة ، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات. يخطط الفريق لفعل الشيء نفسه بالنسبة لبنات بناء الحمض النووي الريبي. قال فريلاند: “قائمة هود ليست سوى غيض من فيض”. “يمكن أن يكون هناك عشرات الآلاف من الهياكل للنظر بجدية.”
المصدر كوانتا