فرایند گردهمآمدن خودبهخودی مولکولهایی که حدود ۴ میلیارد سال پیش روی زمین نخستین به پیدایش حیات انجامید، شاید سرانجام در آزمایشگاه مشاهده شده باشد.
با بازآفرینی شرایط احتمالی سیارهی نوزادمان، شیمیدانان توانستند RNA و اسیدهای آمینه را به هم پیوند دهند – نخستین گام حیاتی که در نهایت به پیدایش و گسترش موجودات زندهای انجامید که امروزه سراسر سیاره را فراگرفتهاند و تکثیر میشوند. این کار تجربی میتواند سرنخهای مهمی دربارهی خاستگاه یکی از مهمترین روابط زیستی به ما بدهد: ارتباط میان اسیدهای نوکلئیک و پروتئینها.
شیمیدان “متیو پاونر” از کالج دانشگاهی لندن گفت: «زندگی امروز از یک ماشین مولکولی بهغایت پیچیده، یعنی ریبوزوم، برای ساخت پروتئین استفاده میکند. این ماشین به دستورهای شیمیایی نوشتهشده در RNA پیامرسان نیاز دارد؛ مولکولی که توالی ژنی را از DNA به ریبوزوم میبرد. ریبوزوم سپس مانند یک خط مونتاژ کارخانه، RNA را میخواند و اسیدهای آمینه را یکبهیک به هم متصل میکند تا پروتئین بسازد.»
«ما نخستین بخش از این فرایند پیچیده را بازسازی کردهایم؛ با استفاده از شیمی بسیار ساده در آب، در pH خنثی، توانستیم اسیدهای آمینه را به RNA متصل کنیم. این شیمی خودبهخود، انتخابی و در شرایط زمین نخستین کاملاً ممکن است.»
گرچه میدانیم حیات بهنوعی از گِل و لجن نخستین زمین سر برآورده – چرا که همین حالا ما اینجا هستیم – اما دانشمندان چندان مطمئن نیستند که این دقیقاً چگونه رخ داده است. یکی از نظریههای رایج، فرضیه جهان RNA است: RNA بهعنوان اسید نوکلئیکی خودتکثیرشونده که علاوه بر نگهداری اطلاعات ژنتیکی، قادر است واکنشهای شیمیایی را نیز کاتالیز کند.
پروتئینها نمیتوانند خودشان تکثیر شوند؛ دستور توالی دقیق اسیدهای آمینه در آنها در اسیدهای نوکلئیکی مانند RNA رمزگذاری شده است. پس در حالی که پروتئینها نقشی حیاتی در بسیاری از فرایندهای زیستی دارند، این اسیدهای نوکلئیک هستند که الگوی لازم برای ساختشان را فراهم میکنند. بنابراین این دو مؤلفهی مولکولی باید در شرایط مرطوب و داغ زمین اولیه راهی برای پیوند با یکدیگر پیدا کرده باشند.
“پاونر” میگوید: «حیات بر توانایی سنتز پروتئینها تکیه دارد – آنها مولکولهای کارکردی کلیدی زندگی هستند. درک خاستگاه سنتز پروتئین برای درک منشأ حیات بنیادی است. پژوهش ما گامی بزرگ در این مسیر است و نشان میدهد چگونه RNA شاید نخستینبار کنترل سنتز پروتئین را در دست گرفته باشد.»
تلاشهای بسیاری برای بازآفرینی پیوند طبیعی اسیدهای آمینه و RNA صورت گرفته است. این فرایند به یک میانجی پرانرژی نیاز دارد. مطالعات گذشته نشان دادهاند که برخی مولکولهای بسیار واکنشپذیر برای این کار مناسب نیستند، چون در آب تجزیه میشوند و باعث میگردند اسیدهای آمینه بهجای اتصال به RNA، به همدیگر بچسبند.
تیم پژوهشی به سرپرستی شیمیدان “جیوُتی سینگ” از کالج دانشگاهی لندن، این بار سراغ طبیعت رفت. آنها از یک “تیواِستر” استفاده کردند؛ ترکیبی پرانرژی و واکنشپذیر شامل کربن، اکسیژن، هیدروژن و گوگرد – چهار عنصر از شش عنصر حیاتی زندگی. تیواسترها نقش واسطهای کلیدی در برخی فرایندهای زیستی دارند و گمان میرود در «سوپ آلی نخستین» فراوان بودهاند. برخی دانشمندان باور دارند که فراوانی تیواسترها حتی پیش از شکلگیری دنیای RNA بوده است؛ چیزی که به فرضیه جهان تیواستر معروف است.
در «سوپ آلی شبیهسازیشده»، پژوهشگران دریافتند که تیواستر انرژی لازم برای اتصال اسید آمینه به RNA را فراهم میکند – یک پیشرفت چشمگیر که بهخوبی دو فرضیه را به هم پیوند میدهد. “پاونر” میگوید: «پژوهش ما دو نظریه برجسته درباره منشأ حیات را متحد میسازد – جهان RNA، که در آن RNA خودتکثیرشونده بنیادین در نظر گرفته میشود، و جهان تیواستر، که در آن تیواسترها بهعنوان منبع انرژی نخستین اشکال حیات مطرح هستند.»
البته باید روشن باشد که هنوز فاصله زیادی با داشتن یک درک کامل و دقیق از منشأ حیات داریم. پژوهش جدید نشان میدهد که این اجزاء میتوانند با یک میانجی پرانرژی به هم متصل شوند؛ گام بعدی این است که ببینیم آیا RNA بهطور انتخابی به همان اسیدهای آمینهای متصل میشود که پیدایش کد ژنتیکی را ممکن میسازد یا نه.
“سینگ” میگوید: «تصور کنید روزی شیمیدانان بتوانند از مولکولهای ساده و کوچک متشکل از کربن، نیتروژن، هیدروژن، اکسیژن و گوگرد، مولکولهایی بسازند که قادر به خودتکثیری باشند. این گامی عظیم به سوی حل پرسش منشأ حیات خواهد بود. این پژوهش ما را به این هدف نزدیکتر میکند؛ با نشان دادن اینکه چگونه دو قطعهی لگوی شیمیایی نخستین (اسیدهای آمینه فعالشده و RNA) میتوانند پپتیدها را بسازند؛ زنجیرههای کوتاه اسیدهای آمینه که برای حیات ضروریاند.»
