Συνθετικά μόρια αποκαλύπτουν την προέλευση των σύγχρονων πρωτεϊνών
Οι πρωτεΐνες αποτελούν βασικά συστατικά των κυττάρων όλων των οργανισμών, απαραίτητα για τη δομή και τη λειτουργία τους. Οι πρώτες πρωτεΐνες εμφανίστηκαν πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια στην πρωτόγονη Γη, πριν ακόμα σχηματιστεί το πρώτο κύτταρο. Το πώς προέκυψαν αυτά τα τόσο σημαντικά μόρια παραμένει ακόμα ένα άλυτο μυστήριο. Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο αμερικανικό περιοδικό «Proceedings of the National Academy of Sciences», επιστημονική ομάδα επιχειρεί να δώσει απαντήσεις σχετικά με την εξέλιξή τους.
Από την «αρχέγονη σούπα» στα πολύπλοκα μόρια των πρωτεϊνών
Ενενήντα έξι χρόνια μετά την έκδοση του βιβλίου «Η προέλευση της ζωής» το 1924, του Σοβιετικού επιστήμονα Αλεξάντερ Οπάριν, ο οποίος υποστήριξε ότι οι πρώτες οργανικές ενώσεις συντέθηκαν στις πρωτόγονες συνθήκες της Γης από απλούστερα μόρια μέσα σε μια «αρχέγονη σούπα», ο ακριβής τρόπος με τον οποίο εξελίχθηκαν οι πρωτεΐνες εξακολουθεί να παραμένει αινιγματικός. Πλέον είναι ευρέως αποδεκτό ότι τα αμινοξέα, τα δομικά συστατικά των πρωτεϊνών, συντέθηκαν από απλούστερα οργανικά και ανόργανα μόρια που πλησίασαν το ένα το άλλο στην πρωτόγονη Γη. Η πρώτη ισχυρή απόδειξη αυτής της υπόθεσης ήρθε το 1953 με το διάσημο πείραμα των Harold Urey και Stanley Miller, οι οποίοι επιχείρησαν να προσομοιάσουν τις συνθήκες που υπέθεταν ότι επικρατούσαν στην αρχέγονη Γη στο εργαστήριο και κατόρθωσαν να συνθέσουν οργανικά μόρια από απλούστερες χημικές ενώσεις χρησιμοποιώντας ενέργεια από ηλεκτρικούς σπινθήρες. Ανάμεσα στα μόρια που συντέθηκαν ήταν τα αμινοξέα.
Οι πρωτεΐνες που απαντώνται στους οργανισμούς αποτελούνται από αμινοξέα. Τα αμινοξέα ενώνονται με χημικούς δεσμούς και σχηματίζουν τα πεπτίδια, τα οποία με τη σειρά τους σχηματίζουν τις πρωτεΐνες. Είκοσι αμινοξέα χρησιμοποιούνται σε διάφορους συνδυασμούς προκειμένου να φτιαχτούν οι περισσότερες πρωτεΐνες των οργανισμών, που έχουν σύνθετες τρισδιάστατες δομές και λειτουργίες. Εκτός από δομικά συστατικά των κυττάρων, οι πρωτεΐνες επιτελούν μια πληθώρα διαδικασιών: είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση πολυάριθμων αντιδράσεων, για τη μεταφορά ουσιών από το ένα σημείο στο άλλο, για στην ανταπόκριση σε ερεθίσματα του εξωτερικού περιβάλλοντος κ.ά.
Η μεγάλη ποικιλία στη δομή και τη λειτουργία των πρωτεϊνών είναι αποτέλεσμα της μακράς εξελικτικής ιστορίας τους. Σήμερα είναι ευρέως αποδεκτό ότι τα πρώτα πεπτίδια, μέσα από συμπυκνώσεις και συγχωνεύσεις αμινοξικών τμημάτων, δημιούργησαν πιο πολύπλοκες δομές που μπορούσαν να επιτελέσουν απλές λειτουργίες. Αυτά αποτέλεσαν τα πρώτα πρωτεϊνικά μόρια τα οποία στη συνέχεια μέσα από τα φίλτρα της φυσικής επιλογής, εφόσον προσέδιδαν κάποιο πλεονέκτημα «επιβίωσης» στην πρωτόγονη Γη, επικράτησαν και εξελίχθηκαν σε ακόμα πιο σύνθετα μόρια, που με τη σειρά τους οδήγησαν στις σύγχρονες πρωτεΐνες.
Ορνιθίνη: Ένας ενδιάμεσος κρίκος της εξελικτικής αλυσίδας
Η πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή και οι σύνθετες πολυποίκιλες λειτουργίες των σύγχρονων πρωτεϊνών, που πιθανότατα διαφέρουν πολύ από τα πρώτα απλούστερα μόρια, δυσκολεύει ακόμα περισσότερο την έρευνα γύρω από την εξέλιξή τους. Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Dan Tawfik του Ισραηλινού Ινστιτούτου Επιστήμης Weizmann, κατόρθωσαν να φτιάξουν συνθετικές δομές που προσομοιάζουν τις πρώτες πρωτεΐνες. Ο στόχος τους ήταν να διαλευκάνουν την εξελικτική πορεία που οδήγησε από τα απλά πολυπεπτίδια που μπορούν να συντεθούν από αμινοξέα που υπήρχαν στην αρχέγονη Γη στις σύγχρονες πρωτεΐνες.
Τα πρώτα πολυπεπτίδια πιθανότατα αλληλεπιδρούσαν με νουκλεϊκά οξέα, το RNA ή το DNA, πολύ πριν σχηματιστεί το πρώτο κύτταρο. Τα αμινοξέα που φέρουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο, όπως η αργινίνη, είναι απαραίτητα γι’ αυτήν τη λειτουργία διότι μπορούν να προσδένονται στα αρνητικά φορτισμένα νουκλεϊκά οξέα. Όμως η αργινίνη, που θεωρείται τo πρώτο θετικά φορτισμένο αμινοξύ που εμφανίστηκε στη Γη, δεν εντοπίστηκε στα πειράματα σύνθεσης οργανικών μορίων από αβιοτικούς παράγοντες ούτε σε μετεωρίτες. Ποια ήταν λοιπόν η πρώτη ύλη από την οποία σχηματίστηκαν τα πρώτα πεπτίδια που αλληλεπιδρούσαν με νουκλεϊκά οξέα; Η απάντηση, σύμφωνα με την έρευνα του καθηγητή Dan Tawfik και της ομάδας του που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Proceedings of the National Academy of Sciences» τον Μάιο, βρίσκεται στην ορνιθίνη. Πρόκειται για ένα αμινοξύ που προκύπτει κατά τον σχηματισμό της αργινίνης, αλλά απουσιάζει ως δομικό συστατικό των σύγχρονων πρωτεϊνών. Το αμινοξύ αυτό μπορεί να συντεθεί από απλά μόρια σε πειράματα αβιοτικής σύνθεσης, όπως αυτό των Milley και Urey, γεγονός που ενισχύει την πεποίθηση ότι συντέθηκε πολύ νωρίς κατά την εξέλιξη των πρωτεϊνών.
Προκειμένου να ελέγξουν την υπόθεση ότι η ορνιθίνη ήταν το δομικό υλικό των αρχέγονων πρωτεϊνών που μπορούσαν να προσδέσουν τα νουκλεϊκά οξέα, οι ερευνητές σχεδίασαν και κατασκεύασαν συνθετικές πρωτεΐνες που αποτελούνταν από ορνιθίνη. Η δομή των μορίων αυτών σχεδιάστηκε με βάση φυλογενετικές μεθόδους έτσι ώστε να προσομοιάζει στη δομή των αντίστοιχων αρχέγονων πρωτεϊνών. Διαπίστωσαν ότι αυτά τα συνθετικά μόρια μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με το DNA. Επίσης, παρατήρησαν ότι η ορνιθίνη μπορεί να μετατραπεί σε αργινίνη σε συνθήκες που μοιάζουν με αυτές της αρχέγονης Γης όταν εμφανίστηκαν οι πρώτες πρωτεΐνες. Κατά τη μετατροπή αυτή, οι πρωτεΐνες μπορούσαν να συνδεθούν καλύτερα με το DNA με έναν τρόπο που προσέγγιζε την αντίστοιχη λειτουργία των σύγχρονων πρωτεϊνών.
Μέσα από καλά σχεδιασμένα πειράματα, η ερευνητική ομάδα κατόρθωσε να προσθέσει ένα κομμάτι στο αχανές παζλ της χημικής εξέλιξης στοχεύοντας στην εξιχνίαση των δυσεπίλυτων προβλημάτων που αφορούν τη δημιουργία των πρώτων πρωτεϊνικών μορίων που μαζί με άλλα μόρια συγκρότησαν ολοένα και πιο σύνθετες δομές που οδήγησαν στον πρώτο οργανισμό, σε συνθήκες εντελώς διαφορετικές σε σχέση με σήμερα.
1. Longo, L.M., et al., Primordial emergence of a nucleic acid-binding protein via phase separation and statistical ornithine-to-arginine conversion. Proc Natl Acad Sci USA, 2020.
2. Hyman, T., Brangwynne, C. In Retrospect: The Origin of Life. «Nature» 491, 524-525 (2012).
Στηρίξτε την έγκυρη και μαχητική ενημέρωση. Στηρίξτε την Αυγή. Μπείτε στο syndromes.avgi.gr και αποκτήστε ηλεκτρονική συνδρομή στο 50% της τιμής.
