תובנות חדשות על מקורות החיים: כיצד שרדו המולקולות הראשונות את התנאים הראשוניים של כדור הארץ

מחקר חדש מספק תובנות לגבי מקורות החיים

מקורות החיים ממשיכים להיות תעלומה עמוקה. כיצד נוצרו מולקולות מורכבות ונשארו יציבות לאורך תקופות ארוכות מבלי להתפרק? צוות ב-ORIGINS, אשכול מצוינות שבסיסו במינכן, חשף מנגנון שעשוי היה לאפשר את הראשון RNA מולקולות להתייצב במרק הקדמון. הם גילו שכאשר שני גדילי RNA משתלבים, היציבות ותוחלת החיים שלהם גדלים באופן משמעותי.

ככל הנראה, החיים על פני כדור הארץ החלו במים, אולי בבריכת גאות שהייתה מנותקת ממי הים בשפל אך הוצפה בגלים בשפל. במשך מיליארדי שנים, מולקולות מורכבות אוהבות DNA, RNA וחלבונים שנוצרו בסביבה זו לפני, בסופו של דבר, התאים הראשונים הופיעו. אולם עד היום איש לא הצליח להסביר כיצד זה קרה בדיוק.

"אנחנו יודעים אילו מולקולות היו קיימות על כדור הארץ הקדום", אומר ג'וב בוכובן, פרופסור לכימיה על-מולקולרית באוניברסיטה הטכנית של מינכן (TUM). "השאלה היא: האם אנחנו יכולים להשתמש בזה כדי לשחזר את מקורות החיים במעבדה?" הצוות בראשותו של בוכובן ב-ORIGINS Cluster of Excellence מתעניין בעיקר ב-RNA. "RNA היא מולקולה מרתקת", אומר בוכובן. "זה יכול לאחסן מידע וגם לזרז תגובות ביוכימיות." מדענים מאמינים אפוא ש-RNA חייבת להיות הראשונה מבין כל המולקולות המורכבות שנוצרו.

אולם הבעיה היא שמולקולות RNA פעילות מורכבות ממאות או אפילו אלפי בסיסים והן מאוד לא יציבות. כאשר טבילה במים, גדילי RNA מתפרקים במהירות לחלקים המרכיבים אותם – תהליך המכונה הידרוליזה. אז איך יכול להיות שה-RNA שרד במרק הקדמון?

איך נוצרו גדילים כפולים במרק הקדמון?

בבדיקות מעבדה, החוקרים מ-TUM ו-LMU השתמשו במערכת מודל של בסיסי RNA שמתחברים זה לזה בקלות רבה יותר מאשר בסיסים המופיעים באופן טבעי בתאים שלנו כיום. "לא היו לנו מיליוני שנים זמינים ורצינו תשובה מהירה", מסביר בוהובן. הצוות הוסיף את בסיסי ה-RNA המתחברים במהירות לתמיסה מימית, סיפק מקור אנרגיה ובחן את אורך מולקולות ה-RNA שנוצרו. הממצאים שלהם היו מפוכחים, שכן הגדילים שהתקבלו של עד חמישה זוגות בסיסים שרדו רק למספר דקות.

התוצאות היו שונות, עם זאת, כאשר החוקרים התחילו בהוספת גדילים קצרים של RNA שנוצר מראש. הבסיסים המשלימים החופשיים הצטרפו במהירות ל-RNA זה בתהליך שנקרא הכלאה. נוצרו גדילים כפולים באורך של שלושה עד חמישה זוגות בסיסים ונשארו יציבים למשך מספר שעות. "החלק המרגש הוא שגדילים כפולים מובילים לקיפול RNA, מה שיכול להפוך את ה-RNA לפעיל קטליטית", מסביר בוכובן. ל-RNA דו-גדילי יש אפוא שני יתרונות: יש לו תוחלת חיים ממושכת במרק הקדמון והוא משמש בסיס ל-RNA פעיל קטליטית.

אבל איך יכול היה להיווצר גדיל כפול במרק הקדמון? "אנחנו בודקים כרגע אם זה אפשרי עבור RNAs ליצור גדיל משלים משלהם," אומר Boekhoven. ניתן להעלות על הדעת שמולקולה הכוללת שלושה בסיסים תתחבר עם מולקולה הכוללת שלושה בסיסים משלימים – התוצר שלהם יהיה גדיל כפול יציב. הודות לתוחלת החיים הממושכת שלו, בסיסים נוספים יכולים להצטרף אליו והגדיל יגדל.

יתרון אבולוציוני לפרוטוקולים

מאפיין נוסף של RNA דו-גדילי יכול היה לעזור להביא למקור החיים. ראשית חשוב לציין שמולקולות RNA יכולות גם ליצור פרוטו-תאים. אלו טיפות זעירות עם פנים מופרד לחלוטין מהעולם החיצון. עם זאת, לפרוטוקולים הללו אין קרום תאים יציב ולכן מתמזגים בקלות עם פרוטו-תאים אחרים, מה שגורם לתוכן שלהם להתערבב. זה לא תורם לאבולוציה מכיוון שהוא מונע מפרוטוקולים בודדים לפתח זהות ייחודית. עם זאת, אם הגבולות של פרוטו-תאים אלה מורכבים מ-DNA דו-גדילי, התאים הופכים יציבים יותר וההתמזגות מעוכבת.

תובנות רלוונטיות גם לרפואה

בעתיד, Job Boekhoven מקווה לשפר עוד יותר את ההבנה של היווצרות והתייצבות של מולקולות ה-RNA הראשונות. "יש אנשים שמתייחסים למחקר הזה כמעין תחביב. עם זאת, במהלך מגיפת Covid-19, כולם ראו כמה חשובות יכולות להיות מולקולות RNA, כולל עבור חיסונים", אומר בוכובן. "אז, בעוד שהמחקר שלנו שואף לענות על אחת השאלות העתיקות ביותר במדע, זה לא הכל: אנחנו גם מייצרים ידע על RNA שיכול להועיל לאנשים רבים כיום."