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?

מולקולת TNA. מועמדת כחלופה ל-RNA בחיים הקדם תאיים
מולקולת TNA. מועמדת כחלופה ל-RNA בחיים הקדם תאיים

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

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

15 תגובות

  1. תודה רבה, אני יצפה בזה ברגע שהגיע הביתה ( שבוע הבא).

    ערסנט
    טוב האמתי שאני מבין למה אתה חותר, ויש בזה משהו.
    אבל שוב אני לא מבין בנושא כמעט דבר, לצערי..

  2. יפה מאוט! אני מניח שלא חייבים להסתכל על החיים כאיזה משהו נפרד כלכך משאר התהליכים הכימיים שמתרחשים ביקום. אפשר לומר שיש ציר התפתחותי אפשרי של תגובות כימיות יותר ויותר מורכבות כאשר "משפחה" אחת של תגובות מורכבות היא מה שאנחנו מגדירים כיום בתור "חיים על בסיס פחמן". אי אפשר כרגע לדעת עד איפה יכולה להגיע המורכבות הזו ואם דנ"א ורנ"א הם החומר היחיד שמשמש בסיס תורשתי לחיים ביקום.

    גם חומצות אמינו למשל יש מאות אם לא אלפים שאין להן תיפקוד ידוע בעולם החי כיום אבל לך תדע..

  3. חן

    דבר ראשון את הגדרת החיים, עשינו אנחנו, אומנם לא כל פרטיה ודקדוקיה מוסכמים על הכול,
    אולם, רוב ההגדרות מקובלות ועל סמך זה נקבענו מה הם גבולות התנאים המינימליים, לקיום חיים.
    ומכאן שהם לא התקיימו בתרם נוצרו, תנאים מתאימים, נותר למצוא את המצב והזמן שהחיים נוצרו בפעם הראשונה.

    לך זה נראה הגיוני ומוחלט, לי בשלב זה, לא נראה הגיוני, אני חושב שעצם ההגדרה, מהם
    חיים ומה התנאים להיווצרותם, יוצרת מחסום לראיית מציאות שונה , למשל, שהחיים הם המשך
    או חלק או התפצלות, לדבר מה קודם.

  4. לחן ולכל מי שמתעניין בנושא, אני ממליץ מאד לגשת לאתר יוטיוב, לרשום בתיבת החיפוש ״קסם הביולוגיה״, ולצפות לפחות בשיעור הראשון, הקורס ממש מרתק ומתאים לכל מי שרוצה להרחיב קצת אופקים.

  5. עמית
    כמעט ואין לי ידע בנושא, אני כן יודע שהגבול בין חי ודומם הוא מאד גדול במורכבות שלו ובתהליכים שמובאים ליצירתו, לערוך השוואה ביניהם מראה על חוסר ידע והבנת הנושא.
    אני ימנע מלהגיד דברים נוספים על הנושא, כי אני באמת בור בו.

    אני יגיב כל עוד מדובר במשהו יותר פילוסופי, קצת כמו הכיוון שערסנט הציג..

    נ.ב – אשמח אם מישהו יכול להפנות אותי למקורות על הנושא, מדע פופלרי ( איזה ספר כלשהו), רצוי בעברית.

  6. חן ,
    נראה לי שהכוונה היא לא שאין התחלה כלל ,אבל ההגדרה של "חיים" היא מאוד פשטנית :
    אני לא אתפלא אם הגבול בין "חי" ל"דומם" הוא הרבה יותר מסתורי ממה שאנחנו חושבים היום

  7. ערסנט על מה אתה מדבר?
    אין לי מושג על סמך מה אתה מסיק מסקנות קצת הזויות אני חייב לומר.
    לחפש המשך? אתה טוען שחיים יכלו להתקיים ביקום הצעיר?
    חיים נוצרו עם המפץ הגדול?
    סביר להניח שבמאיות הראשונות של המפץ הגדול, לא נוצרו חיים ( תא משתכפל וכו) וזה מוביל למסקנה שכן היתה התחלה.

  8. נראה קצת דומה לאותו חיפוש אחר "האב" הקדמון ולניסיון לשרטט את שושלת המשפחה של האדם
    שמשתנה מפעם לפעם עקב ממצאים חדשים רק ש..כאן אין ממצאים מסוג זה ולכן כל ממצא מיד
    נאנס ממש להתאים לתפיסה הקיימת ובכל בדיקה וניסיון כבר ממתינים להוכחה או להפרחה.

    החיים, במובן שונה מאשר אנו מגדירים, קיימים תמיד ואנו עדים לחיים שהם ההמשך או חלק, אין נקודה או זמן או מקום, שנמצא שהם החלו כי הם לא החלו..נכון יותר לחפש המשך או קשר, מאשר לחפש התחלה או יצירה מחדש.

  9. כמה בעיות:

    א)האם מולקולות אלה יכולות להווצר גם ללא אינטליגנציה במעבדה?
    ב)האם יש בכלל מעבר אפשרי מtna לdna?
    ג)כמה בסיסים מסוגלים להתשכפל והאם נדרש רצף ספציפי באורך מסויים?

  10. מדהים שכמה שניסיתי לקרוא עלDNA , RNA, כרומוזומים וכו׳.. אני שוכח את הכל מחדש, המידע הזה מסרב להיקלט לי בראש.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

דילוג לתוכן