תרחיש חדש לתחילת היווצרות החיים על פני כדור-הארץ

תכונה חדשה שהתגלתה במקטעי דנ”א קצרים מרמזת על תרחיש חדש להתרכבות גדילי דנ”א ארוכים ומורכבים. החוקרים מאמינים כי צורתו הקווית של גדיל הדנ”א הארוך של ימינו היא למעשה סימן ושייר להיווצרותו מתוך גבישים נוזליים

תמונה 1 : גביש נוזלי כאשר כל המולקולות שלו 'עומדות'.
תמונה 2 : אותו גביש נוזלי כאשר כל המולקולות שלו שינו תנוחה ביחד.
קבוצת מחקר מאוניברסיטת קולורדו בבולדר ומאוניברסיטת מילנו גילתה צורה חדשה של גבישים נוזליים המורכבים ממולקולות דנ”א קצרות במיוחד. מכיוון שמולקולות הדנ”א נושאות את המידע הגנטי של התא, גילוי זה שופך אור על תרחיש חדש לדרך יצירת החיים על פני כדור הארץ.

נואל קלארק, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קולורדו, אמר כי הקבוצה הופתעה לגלות כי רצפים קצרים מאד של דנ”א יכולים להתחבר ביחד לגבישים אורגניים שמסתדרים בצורה מקבילה אחד ליד השני ומתחברים לטורים כאשר הם מושרים במים. האמונה הרווחת כיום היא שהחיים התחילו בצורה של מולקולות דנ”א או רנ”א, שנוצרו בתוך 'מרק' בראשיתי של מולקולות אורגניות.

הלכה למעשה, בלתי אפשרי ליצור שרשראות מולקולריות אחידות כמו הדנ”א. לפיכך, לדברי קלארק, מדענים ניסו להבין כיצד יכולות מולקולות פשוטות להתחבר בצורה ספונטנית ויעילה, ואז לשכפל את עצמן. המחקר החדש מוכיח שחלקי דנ”א זעירים יכולים ליצור גבישים נוזליים ובכך להידחס ולהפוך לטיפות. הסביבה הכימית שבתוך הטיפות מעודדת אותן להתחבר למולקולות נוספות, ובכך ליצור מולקולות ארוכות יותר ויותר, הנוטות להפוך לגבישים נוזליים.

“גילינו שאפילו החלקים הקטנים ביותר של הדנ”א הדו-גדילי יכולים להתחבר ספונטנית לטורים המכילים מולקולות רבות,” אמר קלארק, “אנו מאמינים כי בעבר, מתוך כל אותן מולקולות אקראיות, הגיחו חלקי רנ”א קצרים או מולקולות דומות. חלקים אלו נדחסו לכדי טיפות של גבישים נוזליים, ואז התפתחו בצורה סלקטיבית למולקולות ארוכות.

גבישים נוזליים הם חומרים אורגניים הדומים לסבון, בכך שיש להם תכונות של מוצק ונוזל בו-זמנית. השימוש העיקרי שלהם הוא במסכי מחשב, טלוויזיות שטוחות, פלאפונים, מחשבונים ושעונים. רוב המולקולות הנמצאות במצב גבישי-נוזלי הן בצורה של קו ישר, ומסוגלות באופן ספונטני לשנות את תנוחתן. כאשר מולקולה אחת משנה את התנוחה שלה, היא גורמת גם לסובבות אותה להסתובב באותו הכיוון, ועל-ידי כך נוצר 'אפקט דומינו' בו כל המולקולות משנות באותו הזמן כמעט את כיוונן. כתוצאה, גבישים נוזליים רגישים במיוחד לגירויים סביבתיים, כשינויי טמפרטורה או מתח שמופעל עליהם.

רנ”א ודנ”א הם פולימרים דמויי שרשרת, עם קבוצות צדדיות הנקראות נוקלאוטידים, או בסיסים. הבסיסים מוכנים להידבק רק לבסיסים מסויימים אחרים על השרשרת השניה. כאשר רצפי הבסיסים בשני השרשראות תואמים זה לזה, השרשראות יכולות להתחבר זו לזו וליצור את המבנה הדו-גדילי (double helix) המפורסם. המידע הגנטי מקודד ברצפים המורכבים ממיליוני בסיסים לאורך השרשראות. אם היינו פורשים את הדנ”א המצוי בתא אחד, הרי שהיינו מקבלים שרשרת שאורכה היה עולה על שני מטר. למרות זאת, כאשר הדנ”א דחוס בגרעין התא, אורך כל השרשראות הוא מספר מיליוניות המטר.

קלארק מודה כי הוכח כבר בעבר שדנ”א מסוגל להתארגן כגביש נוזלי, בו השרשראות מסתדרות בצורה מקבילה אחת לשניה. החוקרים מאמינים שצורת הגביש הנוזלי נובעת מצורתה המאורכת של מולקולת הדנ”א, בעטיה מעדיפות המולקולות להסתדר במקביל אחת לשניה. ניתן לדמות את התהליך למקלות ספגטי בתוך קופסא, שגם לאחר ניעור יסודי ישארו במקביל אחד לשני.

צוותי המחקר מאוניברסיטת קולורדו ומילנו פתחו בסדרה של ניסויים על מנת לראות עד כמה ניתן לקצר את מקטעי הדנ”א לפני שהם יפסיקו להסתדר כגבישים נוזליים. הצוותים גילו שאפילו מקטעי דנ”א קצרים ביותר – באורך של שישה בסיסים – יכולים להתרכב לצורה של גביש נוזלי, למרות שצורתם כמעט ואינה מאורכת. התנאי לתהליך הוא זיווג גדיל הדנ”א עם הגדיל המתאים לו.

אנליזה של מבנה הגביש הנוזלי הראתה שהצמדים הקצרים של גדילי הדנ”א התחברו ביחד קצה לקצה, ובכך יצרו צברים ישרים ומאורכים שיכלו להתנהג בדומה למקטעים ארוכים יותר של דנ”א. ההיצמדות אירעה כתוצאה מנוכחותן של נקודות קטנות ושומניות בקצוות מקטעי הדנ”א הקצרים, שסייעו להם להידבק אחד לשני בצורה הפיכה, תוך כדי שהם מרחיקים את המים שבין שני המקטעים.

הקבוצה המשיכה במבדקים נוספים, במהלכן ערבבו ביחד תמיסות המכילות מקטעים תואמים ולא-תואמים של דנ”א. התוצאות הראו שלמעשה כל מקטעי הדנ”א התואמים נדחסו לטיפות של גבישים נוזליים, והתרחקו ממקטעי הדנ”א הלא-תואמים.

“זוהי תופעה מיוחדת במינה,” אמר קלארק. “הפירוש הוא שמולקולות קטנות המסוגלות להתחבר בדרך הנכונה יכולות לסרוק זו-אחר-זו, ולהתחבר ביחד לטיפות עם מבנה פנימי מסודר מאד. הטיפות האלו מאפשרות למולקולות דו-גדיליות גדולות עוד יותר להיווצר.

“למעשה, טיפות הגבישים הנוזליים בוררות בעצמן את המרכיבים המולקולריים המתאימים להן. בעזרת הכימיה הנכונה יכולות להתפתח מולקולות גדולות יותר ויותר שמייצבות את מבנה הגביש הנוזלי. אם המודל נכון, הרי שהצורה הקווית של פולימר הדנ”א היא בעצמה סימן ושייר להיווצרותו מתוך גביש נוזלי.”

המחקר פורסם בגליון האחרון של Science, ב- 23 לנובמבר. כותבי המאמר הם נואל קלארק, מיכי נקאטה וכריסטופר ג'ונס מאוניברסיטת קולורדו, ג'וליאנו זנקטה וטומאסו בליני מאוניברסיטת מילנו, ברנדון צ'אפמן ורונאלד פינדק מהמעבדההלאומית בברוקהייבן וג'ולי קרוס מהמעבדה הלאומית בארגון. מיכי נקאטה נפטרה בספטמבר 2006.

לידיעה באתר אוניברסיטת קולורדו