Nowe badania badają, w jaki sposób amyloidy, zdolne do tworzenia się we wczesnych warunkach ziemskich i wiązania się z RNA i DNA, mogły odegrać kluczową rolę w powstaniu życia poprzez zwiększenie stabilności molekularnej i zachęcanie do współpracy zamiast konkurencji.

Pytanie, w jaki sposób żywe organizmy wyłoniły się z materii nieożywionej, pozostaje jedną z najgłębszych tajemnic nauki. Pomimo licznych teorii jednoznaczne wyjaśnienie pozostaje nieuchwytne. Nie jest to nieoczekiwane, biorąc pod uwagę, że zdarzenia te miały miejsce od trzech do czterech miliardów lat temu, w drastycznie odmiennych starożytnych warunkach Ziemi.

Uzasadnienie hipotez danymi eksperymentalnymi

„W ciągu tak rozległego okresu ewolucja całkowicie zatarła ślady prowadzące do początków życia” – mówi Roland Riek, profesor chemii fizycznej i zastępca dyrektora nowego interdyscyplinarnego Centrum Pochodzenia i Występowania Życia w ETH Zurich. Nauka nie ma innego wyjścia, jak tylko formułować hipotezy i jak najdokładniej uzasadniać je danymi eksperymentalnymi.

Riek i jego zespół przez lata pracowali nad koncepcją, że agregaty białkowe, zwane amyloidami, mogły odegrać ważną rolę w przejściu między chemią a biologią. Pierwszym krokiem grupy badawczej Rieka było wykazanie, że takie amyloidy można formować stosunkowo łatwo w warunkach, które prawdopodobnie panowały na wczesnej Ziemi: w laboratorium wystarczy odrobina gazu wulkanicznego (a także umiejętności eksperymentalne i dużo cierpliwości ) dla prostych aminokwasy łączyć się w krótkie łańcuchy peptydowe, które następnie spontanicznie łączą się we włókna.

Prekursorowe cząsteczki życia

Później zespół Rieka wykazał, że amyloidy potrafią się replikować, co oznacza, że ​​cząsteczki spełniają kolejne decydujące kryterium uznania ich za cząsteczki prekursorowe życia. Teraz naukowcy po raz trzeci przyjęli to samo stanowisko w swoim najnowszym badaniu, w którym wykazali, że amyloidy są w stanie wiązać się z cząsteczkami obu RNA I DNA.

Interakcje te częściowo opierają się na przyciąganiu elektrostatycznym, ponieważ niektóre amyloidy są – przynajmniej w niektórych miejscach – naładowane dodatnio, podczas gdy materiał genetyczny ma ładunek ujemny, przynajmniej w środowisku obojętnym lub kwaśnym. Jednak Riek i jego zespół zauważyli również, że interakcje zależą również od sekwencji nukleotydów RNA i DNA w materiale genetycznym. Oznacza to, że mogą stanowić swego rodzaju prekursora uniwersalnego kodu genetycznego, który jednoczy wszystkie żywe istoty.

Większa stabilność jako główna zaleta

A jednak: „Chociaż widzimy różnice w sposobie wiązania cząsteczek RNA i DNA z amyloidami, nie rozumiemy jeszcze, co te różnice oznaczają” – mówi Riek. „Nasz model jest prawdopodobnie nadal zbyt prosty”. Dlatego też uważa za szczególnie ważny inny aspekt wyników: kiedy materiał genetyczny przyłącza się do amyloidów, obie cząsteczki zyskują stabilność. W czasach starożytnych ta zwiększona stabilność mogła okazać się wielką zaletą.

Dzieje się tak dlatego, że wówczas w tak zwanej zupie pierwotnej cząsteczki biochemiczne były bardzo rozcieńczone. Porównajmy to z dzisiejszymi komórkami biologicznymi, w których cząsteczki te są ściśle ze sobą upakowane. „Amyloidy mają udowodniony potencjał zwiększania lokalnego stężenia i kolejności nukleotydów w rozcieńczonym, nieuporządkowanym układzie” – piszą badacze Rieka w niedawno opublikowanym artykule.

Riek zwraca uwagę, że chociaż konkurencja ma kluczowe znaczenie w teorii ewolucji Darwina, współpraca również odegrała główną rolę ewolucyjną. Obie klasy cząsteczek korzystają ze stabilizującego oddziaływania między amyloidami a cząsteczkami RNA lub DNA, ponieważ cząsteczki o długim czasie życia akumulują się z czasem silniej niż substancje niestabilne. Być może było nawet tak, że decydującym czynnikiem w powstaniu życia była współpraca molekularna, a nie konkurencja. „W końcu prawdopodobnie nie brakowało wtedy miejsca ani zasobów” – mówi Riek.

Odniesienie: „Analiza interakcji nukleotyd-amyloid ujawnia selektywne wiązanie z RNA wielkości kodonu” autorstwa Saroj K. Rout, Riccardo Cadalbert, Nina Schröder, Julia Wang, Johannes Zehnder, Olivia Gampp, Thomas Wiegand, Peter Güntert, David Klingler, Christoph Kreutz, Anna Knörlein, Jonathan Hall, Jason Greenwald i Roland Riek, 2 października 2023 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
DOI: 10.1021/jacs.3c06287