JEDNO od pitanja koje znanost još uvijek nije u potpunosti razriješila jest pitanje kako je život nastao iz nežive materije.

Taj razvoj naziva se abiogeneza, a jedna od glavnih hipoteza je da je svijet prije stanica, DNA i Darwinove evolucije, bio "svijet RNA" u kojem su se jednostavniji nizovi molekula mogli replicirati, prolaziti kroz selekciju i razvijati u kompleksnije molekule.

U novom istraživanju, objavljenom u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), znanstvenici su potvrdili ovu hipotezu tako što su stvorili dijelove RNA koji su se mogli dovoljno točno replicirati da bi mogli prolaziti kroz evoluciju sličnu evoluciji živih organizama i stvarati svoje naprednije verzije.

Druga nova studija otkrila kako su mogle nastati prve membrane

Ovdje je zanimljivo istaknuti da je krajem veljače u časopisu Chem objavljeno jedno drugo otkriće važno za razumijevanje nastanka prvih živih organizama.

Naime, znanstvenici su pronašli objašnjenje kako su mjehurići masti mogli formirati membrane prvih stanica.

Ključni dio tog otkrića, do kojeg je došao tim s Istraživačkog instituta Scripps u Kaliforniji, jest da se kemijski proces nazvan fosforilacija možda dogodio ranije nego što se mislilo.

Tim je utvrdio da skupine atoma, koje uključuju fosfor, sferičnim balonima masnoća, koji se nazivaju protostanicama, donose dodatne funkcije i pretvaraju ih u naprednije verzije, koje mogu biti svestranije, stabilnije i kemijski aktivnije, što je važno za nastanak prvih živih stanica.

Evolucija na razini DNA, gena i proteina

Charles Darwin opisao je evoluciju kao "nasljeđe s modifikacijama". Genetske informacije sadržane u dijelovima DNA kopiraju se i prenose s jedne generacije na drugu. No to se zbiva s određenom fleksibilnošću koja omogućuje da se povremeno pojave male promjene u genima koje će omogućiti da se u populaciji živih bića pojave neke nove osobine. Te osobine potom prolaze kroz selektivni pritisak u okolini tako da preživljavaju i zadržavaju se one koje su korisne, koje organizmima daju evolucijsku prednost. S njima preživljavaju i prenose se oni geni koji su nositelji tih osobina.

Znanstvenici danas mogu koristiti DNA kako bi pratili povijest evolucije unazad od suvremenih biljaka i životinja sve do najranijih jednostaničnih organizama. Dvolančane spirale DNA vrlo su pogodne za pohranu, čitanje i repliciranje genetskih informacija. Mnogi od gena sadržanih u DNA u konačnici kodiraju proteine, složene molekularne strojeve koji obavljaju razne funkcije koje stanice održavaju na životu.

Nastanak hipoteze o jednostavnijem RNA svijetu

No nameće se pitanje kako je sve to počelo? Je li se neka evolucija, slična evoluciji organizama sa stanicama, DNA i proteinima, mogla ranije odvijati na nekoj jednostavnijoj razini?

U kasnim 1960-ima, britanski kemičar Leslie Orgel predložio je hipotezu prema kojoj se život temeljio na RNA prije nego na DNA ili proteinima. Njegova ideja uključivala je gene temeljene na RNA i RNA enzime. Ona se kasnije razvila u danas široko prihvaćenu hipotezu o "svijetu RNA".

Nove potvrde hipoteze o RNA svijetu

Novo istraživanje provedeno na Institutu Salk, predstavilo je nove uvjerljive dokaze koji podupiru tu hipotezu. Ono je pokazalo da postoji RNA enzim koji može napraviti točne kopije drugih funkcionalnih RNA lanaca i istovremeno omogućiti povremenu pojavu novih varijanti RNA, što je važan preduvjet za evoluciju. Ove izvanredne sposobnosti sugeriraju da su se najraniji oblici evolucije mogli dogoditi na molekularnoj razini u RNA.

Korak bliže razumijevanju početaka života

Rezultati novog istraživanja približavaju nas korak bliže razumijevanju nastanka života, ali i mogućnosti njegova rekreiranja u laboratoriju.

Naime, modeliranjem primitivnih okruženja kakva su mogla vladati u dalekoj prošlosti znanstvenici mogu izravno testirati hipoteze o tome kako je život mogao nastati na Zemlji i eventualno na drugim planetima.

"Mi tragamo za svitanjem evolucije", komentirao je za Phys.org jedan od autora studije, predsjednik Salka, Gerald Joyce.

"Otkrivajući ove nove mogućnosti RNA, mi otkrivamo potencijalno podrijetlo samog života i kako su jednostavne molekule mogle popločati put složenosti i raznolikosti života kakvog danas vidimo", dodao je.

Zašto baš svijet RNA?

Hipoteza o svijetu RNA ima temelje u činjenici da su te molekule vrlo otporne te da imaju sposobnost obavljati dvije funkcije ključne za prekursore života - mogu se replicirati kao što to može DNA i također mogu djelovati kao enzimi koji pospješuju razne reakcije i djeluju slično kao proteini.

Znanstvenici već desetljećima istražuju hipotezu o RNA svijetu s posebnim fokusom na ribozime RNA polimeraze, molekule RNA koje mogu raditi kopije drugih nizova RNA.

Joyce i njegovi suradnici u laboratoriju Instituta Salk već desetak godina razvijaju ribozime RNA polimeraze. Pritom koriste oblik usmjerene evolucije koji omogućuje stvaranje novih verzija RNA sposobnih za repliciranje većih molekula.

No problem je u tome što su dosad u tom procesu uglavnom nastajale molekule s ozbiljnim greškama koje nisu bile sposobne kopirati sekvence s dovoljno visokom točnošću. Tijekom mnoštva generacija u sekvencama bi se nakupilo toliko pogrešaka da nastali RNA lanci više uopće nisu nalikovali izvornoj sekvenci, a usto su potpuno izgubili svoje funkcije.

Konačno uspjeh u samoreplikaciji

Međutim, u novom istraživanju u laboratoriju znanstvenici su uspjeli stvoriti ribozim RNA polimeraze s brojim mutacijama koje su mu omogućile da kopira lanac RNA s velikom preciznošću.

Taj lanac koji se kopira nazvan je "glavom čekića". To je mala molekula koja cijepa druge molekule RNA na dijelove. Znanstvenici su bili iznenađeni kada su otkrili da je njihov novi ribozim RNA polimeraze dovoljno točno replicirao funkcionalne glave čekića da ne završi u slijepoj ulici, a da je pritom omogućio da se s vremenom pojavljuju nove, uspješnije varijacije glava čekića.

Evolucija u neživom svijetu u laboratoriju

Te nove varijante ponašale su se slično, no mutacije su ih s vremenom učinile lakšima za repliciranje, što im je povećalo evolucijsku sposobnost i dovelo ih do toga da konačno dominiraju populacijom molekula čekića u laboratoriju (video dolje).

Dijagrami raspršenosti prikazuju evoluirajuću populaciju 'glava čekića' kroz više ciklusa evolucije. Glave čekića kopirane polimerazom niže vjernosti (52-2) odmiču od izvorne sekvence RNA (bijele konture) i gube svoju funkciju. Glave čekića kopirane novom polimerazom veće vjernosti (71-89) zadržavaju funkciju, s novim funkcionalnim sekvencama koje se pojavljuju tijekom vremena. Izvor: Institut Salk

"Dugo smo se pitali koliko je život bio jednostavan na početku i kada je stekao sposobnost da se počne poboljšavati", rekao je prvi autor rada Nikolaos Papastavrou, znanstveni suradnik u Joyceovom laboratoriju.

"Ova studija sugerira da je zora evolucije mogla biti vrlo rana i vrlo jednostavna. Nešto na razini pojedinačnih molekula moglo je održati Darwinovu evoluciju, a to je možda bila iskra koja je omogućila da život postane složeniji, idući od molekula, preko stanica, do višestaničnih organizama", dodao je.

Kritična količina vjernosti u repliciranju

Rezultati istraživanja pokazali su da je važno da u replikaciji postoji određena razina vjernosti da bi evolucija bila moguća. Točnost kopiranja RNA polimeraze mora premašiti neki kritični prag da bi se nasljedne informacije zadržale tijekom više generacija, a taj je prag morao rasti kako su se lanci RNA u razvoju povećavali u veličini i složenosti. Drugim riječima, bilo je potrebno da preciznost postaje sve veća.

Samoreplikacija RNA u laboratoriju već kroz 10-ak godina

Joyceov tim u laboratoriju nastoji rekreirati proces evolucije RNA primjenjujući sve veći selektivni pritisak na sustav s ciljem stvaranja polimeraze s boljim učinkom.

Znanstvenici se nadaju da će već kroz desetak godina biti u mogućnosti u laboratoriju stvoriti RNA polimerazu koja će se moći sama replicirati. To bi označilo početak autonomnog života RNA u laboratoriju.