בני דודים מוזרים: חלופות מולקולריות ל- DNA ו-RNA מעניקות תובנה חדשה באשר למוצא החיים

חוקרים סינתזו מולקולות TNA, והראו כי יכלו לשמש כמקודד גנטי לפני ה-RNA ובוודאי לפני ה-DNA. האם בכך נפתרה שאלת ראשית החיים?

מערכות חיים חייבות את קיומן לזוג מולקולות נושאות מידע: DNA ו-RNA. מולקולות אלה מהוות בסיסים כימיים בעלי שתי תכונות חיוניות לחיים: הן התורשה – כלומר הן יכולות לקודד ולהעביר מידע גנטי, מצד שני הן גם יכולות להשתנות לאורך הזמן, באמצעות תהליכים של אבולוציה דרוויניסטית.

השאלה הנמצאת במחלוקת מזה שנים רבות היא האם התורשה והאבולוציה יכולות להתבצע על ידי מולקולות אחרות מאשר ה-DNA ו-RNA.

ג’ון צ’אפוט, חוקר במכון לעיצוב ביולוגי של אוניברסיטת מדינת אריזונה (ASU) שפרסם לאחרונה מאמר בכתב העת Nature-Chemistry המתאר את האבולוציה של חומצות גרעין threose, ביחד עם צוות רב תחומי של מדענים מאנגליה, בלגיה ודנמרק הרחיב מאפיינים אלה על חומצות גרעין נוספות או XNAs.

הקבוצה הדגימה לראשונה כי שישה פולימרים טבעיים מסוגלים לשמש כחומצות גרעין ולחלוק מידע עם ה-DNA. אחד מה-XNAs האלה, מולקולה המכונה חומצת גרעין anhydrohexitol או HNA מסוגלת לעבור אבולוציה מכוונת ולא מתקפלת לצורות שימושיות מבחינה ביולוגית.

תוצאות המחקר פורסמו בגיליון הנוכחי של Science. העבודה שופכת אור חדש על שאלות הנוגעות למקור החיים ומספקת מגוון רחב של יישומים מעשיים לרפואה מולקולרית שלא היו זמינים קודם לכן.

חומצות גרעין שהונדסו במבחנה, כך שיצמדו למספר מולקולות מתנהגים בצורה דומה לנוגדנים – הם מתמחים בהצמדות מדוייקת למטרה שלהם. “תכונה זו יכולה להיות טובה לבניית סוגים חדשים של ערכות אבחון וחיישנים ביולוגיים” אומר צ’אפוט. תוך שהוא מציין כי XNAs הן מולקולות בעלות השפעה חזקה, אך אנזימים טבעיים לא מזהים אותן”.

גם RNA וגם-DNA מטביעים את הרצפים שלהם על ארבעה נוקלאוטידים – מידע חיוני המאפשר הענקת תכונות תורשתיות וכן מספק מתכון מקודד חיוני לבניית חלבונים מ-20 חומצות אמינו באופן טבעי. השאלה בדיוק איך (ומתי) התחיל השימוש במערכת זו, נשאר אחד התחומים המסקרנים ביותר של הביולוגיה הנתון במחלוקת לוהטת.
על פי השערה אחת, מולקולה פשוטה קדמה ל-DNA ול-RNA ושימשה כצינור המידע המקורי. השערת “עולם הרנ”א” מציעה כי צורות קדומות של החיים התבססו על רנ”א ועל חלבונים פשוטים. זאת בגלל הרבגוניות הגדולה של רנ”א – כך שלא רק שהוא מסוגל לשאת מידע גנטי, אלא הוא גם משמש מאיץ לתגובות כימיות כמו אנזים ולכן הוא נחשב על ידי רבים כחלק חשוב בחיים הקדם תאיים.

ואולם, ההופעה הספונטנית של ה-RNA באמצעות רצף של אירועי ערבוב אקראיים של כימיקלים פרימיטיביים לכל הפחות הם אירוע לא סביר. “זו שאלה גדולה” אומר צ’אפוט. “אם עולם ה-RNA התקיים, כיצד הוא התהווה? האם הוא נוצר באופן ספונטני או שהוא תוצר של משהו פשוט אפילו יותר מה-RNA?”

השערת עולם הקדם-רנ”א צובר תאוצה, בעיקר באמצעות חקר מולקולות ה-XNA, המספקות חלופות סבירות למשטר הביולוגי הנוכחי ויכולים לשמש כאבני בניין כימיות עד למופע הנוכחי של החיים. המחקר הנוכחי מחזק את ההשערה שמשהו מעין זה עשוי היה להתרחש.

חומצת הגרעין Threose או TNA, היא אחד המועמדים לתפקיד המתווך הקריטי. “TNA עושה כמה דברים מעניינים,” אומר צ’אפוט ומציין את יכולתה של מולקולה להיקשר עם RNA באמצעות זיווג בסיסים לא מקבילים.” מאפיין זה מספק מודל כיצד XNAs יכול להעביר מידע מהעולם שקדם ל-RNA לעולם ה-RNA.”

מולקולות של חומצות גרעין, כולל DNA ו-RNA מורכבות מ-3 רכיבים כימיים: קבוצת סוכר, קבוצה של שלושה פוספטים המהווה את המבנה הבסיסי של המולקולה, ושילובים של ארבעת חומצות הגרעין. באמצעות שינויים במרכיבים המבניים החוקרים יכולים להנדס מולקולות XNA עם מאפיינים ייחודיים. עם זאת, על מנת שמולקולות אקזוטיות אלה תוכלנה לפעול, כשלב ראשון לקראת RNA בעידן הטרום ביוטי, הן היו צריכות להיות מסוגלות להעביר ולשחזר את המידע שלהן מה-RNA. לשם כך נדרשים, אנזימים מיוחדים, המכונים פולימרזים.

הטבע ייצר את ה-DNA ו-RNA polymerases, המסוגלים לקרוא, לשעתק ולהפוך שעתוק לרצפי חומצות גרעין. עבור מולקולות XNA, לעומת זאת, לא קיים פולימרז טבעי. לפיכך הקבוצה, בראשותו של פיל הוליגר מה- MRC באנגליה, פיתחה בדקדקנות פולימרזים סינתטיים שיכולים להעתיק דנ”א לתוך XNA ופולימרזים אחרים שיכולים להעתיק XNA אל ה-DNA. בסופו של דבר, הפולימרז הצליח להעתיק ולקודד שש מערכות גנטיות שונות. הניסויים הראו כי רצפי DNA טבעיים אלה יכולים היו להיווצר בסיוע ה-XNA.

אנזימים אלה משמשים ככלים באבולוציה מולקולרית ונקשרו למשל לוירוס ה-HIV ולליזוזום HEL. “זהו תהליך דארוויניסטי סינתטי,” אומר צ’אפוט. “אותו הדבר קורה בתוך התאים שלנו, אבל זה נעשה במבחנה.”

השלב הבא הוא להשתמש בטכנולוגיה וליישם אותה לייצור חומצות גרעין לא טבעיות. רק לאחר שייווצרו הרבה חלבונים כאלה, ניתן יהיה לחבר את הפאזל ולהעריך כיצד התהליך התקיים בראשית החיים.

להודעה של החוקרים