Antik RNA kodunu kullanarak yaşamın sırlarını açığa çıkarmak

Salik alimleri ortaya koyuyor RNA Darwinci evrimi moleküler düzeyde mümkün kılan ve araştırmacıları laboratuvarda otonom RNA yaşamı üretmeye yaklaştıran yetenekler.

Charles Darwin, evrimi “değişerek türeyiş” olarak tanımladı. Genetik bilgi şeklinde DNA Diziler kopyalanır ve nesilden nesile aktarılır. Ancak bu süreç aynı zamanda biraz esnek olmalı, zaman içinde genlerdeki ince değişikliklerin ortaya çıkmasına ve yeni özelliklerin popülasyona dahil edilmesine izin vermelidir.

Peki her şey nasıl başladı? Hayatın kökeninde, hücreler, proteinler ve DNA'dan çok önce, daha basit ölçekte benzer bir evrim meydana gelebilir miydi? 1960'larda Salk'tan meslektaşı Leslie Orgill'in de aralarında bulunduğu bilim insanları, yaşamın, küçük, iplikçiklere bağlı RNA moleküllerinin erken Dünya'ya hükmettiği ve Darwinci evrimin dinamiklerini oluşturduğu varsayımsal bir dönem olan “RNA dünyası” ile başladığını öne sürdüler.

Düşük kaliteli polimeraz tarafından kopyalanan çekiç kafalı diziler, orijinal RNA dizisinden (üstte) uzaklaşıyor ve zamanla işlevlerini kaybediyor. HD polimeraz tarafından katalize edilen çekiç kafaları işlevini korur ve daha uygun diziler geliştirir (altta). Kredi bilgileri: Salk Enstitüsü

Erken gelişimde RNA'nın rolü üzerine öncü araştırma

Salk Enstitüsü'ndeki yeni araştırmalar artık yaşamın kökenlerine dair yeni bilgiler sağlıyor ve RNA Dünyası hipotezini destekleyen ikna edici kanıtlar sağlıyor. Çalışmada yayınlandı Ulusal Bilimler Akademisi (PNAS) Bildirileri 4 Mart 2024'te, diğer işlevsel RNA zincirlerinin tam kopyalarını yapabilen ve aynı zamanda molekülün zaman içinde yeni varyantlarının ortaya çıkmasına da olanak tanıyan bir RNA enzimini açıkladı. Bu dikkat çekici yetenekler, evrimin ilk biçimlerinin RNA'da moleküler düzeyde meydana gelmiş olabileceğini düşündürmektedir.

Sonuçlar aynı zamanda bilim adamlarını laboratuvarda RNA bazlı yaşamı yeniden yaratmaya bir adım daha yaklaştırıyor. Bilim adamları bu ilkel ortamları laboratuvarda modelleyerek, Dünya'da ve hatta diğer gezegenlerde yaşamın nasıl başladığına dair hipotezleri doğrudan test edebilirler.

Kıdemli yazar ve Salk Vakfı Başkanı Gerald Joyce, “Evrimin şafağının peşindeyiz” diyor. “RNA'nın bu yeni yeteneklerini açığa çıkararak, yaşamın potansiyel kökenlerini ve basit moleküllerin bugün gördüğümüz yaşamın karmaşıklığına ve çeşitliliğine nasıl yol açabileceğini ortaya çıkarıyoruz.”

Dağılım grafikleri, çekiç kafalı popülasyonlarının birden fazla evrim turu boyunca evrimini göstermektedir. Düşük kaliteli polimeraz (52-2) tarafından kopyalanan çekiç kafaları, orijinal RNA dizisinden (beyaz çizgiler) uzaklaşır ve işlevlerini kaybeder. Yeni bir yüksek doğruluklu polimeraz (71-89) tarafından kopyalanan çekiç kafaları, zamanla ortaya çıkan yeni işlevsel dizilerle birlikte işlevini korur. Kredi bilgileri: Salk Enstitüsü

RNA'nın benzersiz işlevi ve kopyalanma doğruluğunun arayışı

Bilim insanları, modern bitki ve hayvanların evrimsel tarihinin en eski tek hücreli organizmalara kadar izini sürmek için DNA'yı kullanabilirler. Ancak bundan önce ne olduğu belirsizliğini koruyor. Çift sarmallı DNA sarmalları genetik bilginin depolanması için mükemmeldir. Bu genlerin çoğu, sonuçta, hücreleri canlı tutmak için her türlü işlevi yerine getiren karmaşık moleküler makineler olan proteinleri kodlar. RNA'yı benzersiz kılan şey, bu moleküllerin her ikisini de yapabilmesidir. DNA'ya benzer şekilde uzatılmış nükleotid dizilerinden oluşurlar ancak proteinler gibi reaksiyonları kolaylaştıran enzimler olarak da işlev görebilirler. Peki RNA bildiğimiz yaşamın öncüsü olabilir mi?

Joyce gibi bilim insanları bu fikri yıllardır araştırıyor ve özellikle RNA polimeraz ribozimlerine (diğer RNA zincirlerinin kopyalarını yapabilen RNA molekülleri) odaklanıyor. Geçtiğimiz on yıl boyunca Joyce ve ekibi, daha büyük molekülleri kopyalayabilen yeni versiyonlar üretmek için yönlendirilmiş bir evrim biçimini kullanarak laboratuvarda RNA polimeraz ribozimleri geliştiriyorlar. Ancak çoğunun ölümcül bir kusuru var: dizileri yeterince yüksek derecede kopyalayamıyorlar. Kesinlik. Birçok nesil boyunca diziye o kadar çok hata eklenir ki, ortaya çıkan RNA iplikleri artık orijinal diziye benzemez ve işlevleri tamamen kaybolur.

şimdiye kadar. Laboratuvarda geliştirilen en son RNA polimeraz ribozimi, bir RNA zincirini çok daha yüksek bir doğrulukla kopyalamasına olanak tanıyan bir dizi önemli mutasyona sahiptir.

Soldan sağa: David Horning, Gerald Joyce ve Nikolaos Papastavrou. Kredi bilgileri: Salk Enstitüsü

Bu deneylerde kopyalanan RNA zinciri, diğer RNA moleküllerini parçalara ayıran küçük bir molekül olan “çekiçbaşı”dır. Araştırmacılar, RNA polimeraz riboziminin işlevsel çekiç kafalarını tam olarak kopyalamakla kalmayıp, zamanla çekiç kafalarının yeni varyasyonlarının ortaya çıkmaya başladığını keşfettiklerinde şaşırdılar. Bu yeni varyantlar da benzer şekilde performans gösterdi, ancak mutasyonları üremelerini kolaylaştırdı, bu da onların evrimsel uyumunu artırdı ve sonunda laboratuvardaki çekiç kafalı popülasyonlara hakim olmalarına yol açtı.

Joyce'un laboratuvarında araştırma görevlisi olan baş yazar Nikolaos Papastavrou, “Hayatın başlangıçta ne kadar basit olduğunu ve ne zaman kendini geliştirmeye başlama yeteneğini kazandığını uzun zamandır merak ediyorduk” diyor. “Bu çalışma, evrimin şafağının çok erken ve çok basit olabileceğini öne sürüyor. Tek tek moleküller düzeyindeki bir şey, Darwinci evrimi güçlendirmiş olabilir ve bu, yaşamın moleküllerden moleküllere geçerek daha karmaşık hale gelmesine olanak tanıyan kıvılcım olabilir. hücrelerden organizmalara.” Çok hücreli.

Sonuçlar, evrimi mümkün kılmada kopyalama doğruluğunun kritik önemini vurgulamaktadır. RNA polimeraz transkripsiyonunun aslına uygunluğu, kalıtsal bilginin birden fazla nesil boyunca korunması için kritik bir eşiği aşmalıdır ve bu eşik, gelişen RNA'nın boyutu ve karmaşıklığı arttıkça artacaktır.

RNA araştırmasının ve bağımsız yaşamın geleceği

Joyce'un ekibi, bir gün kendini kopyalayabilen bir RNA polimeraz üretme hedefiyle, daha iyi performans gösteren polimerazlar üretmek için sisteme artan seçici baskı uygulayarak bu süreci laboratuvar test tüplerinde yeniden yaratıyor. Bu, araştırmacıların önümüzdeki on yıl içinde başarılabileceğini söylediği, laboratuvarda otonom RNA yaşamının başlangıcını işaret edecek.

Bilim adamları aynı zamanda küçük “RNA dünyası” daha fazla bağımsızlığa kavuştuğunda neler olabileceğiyle de ilgileniyorlar.

“Seçim baskısının mevcut işleve sahip bir RNA'yı iyileştirebileceğini gördük, ancak sistemin daha büyük RNA molekülü kümeleriyle daha uzun süre gelişmesine izin verirsek, yeni işlevler icat edilebilir mi?” diyor Joyce'un laboratuvarında bilim insanı olan ortak yazar David Horning. “Salk'ta geliştirilen araçları kullanarak erken yaşamın karmaşıklığı nasıl artırdığını yanıtlamaktan heyecan duyuyoruz.”

Joyce'un laboratuvarında kullanılan yöntemler aynı zamanda, hem Dünya'da hem de diğer gezegenlerde hangi çevresel koşulların RNA evrimini en iyi şekilde destekleyebileceği de dahil olmak üzere, yaşamın kökenleri hakkındaki diğer fikirleri test eden gelecekteki deneylerin önünü açıyor.

Referans: Nikolaos Papastavrou, David P. Horning ve Gerald F. Joyce tarafından yazılan “RNA katalizli RNA'nın Evrimi”, 4 Mart 2024, Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
doi: 10.1073/pnas.2321592121

Çalışma daha önce desteklenmişti NASA (80NSSC22K0973) ve Simons Vakfı (287624).