Bota e ARN-së: teoria e dashur në terren të lëkundur

Teoritë rreth origjinës së jetës përpiqen t’i përgjigjen, ndër të tjera, se si një evolucion gradual përmes rastësisë dhe seleksionimit natyror mund të kishte ndodhur përpara se të kishte qeliza vetë-përsëritëse. Kjo është, qelizat që përdorin ADN-në si informacion, i cili përkthehet nëpërmjet ARN-së në proteina duke përdorur makineri komplekse. Zakonisht dikush përpiqet të gjejë një molekulë ose sistem molekular më të thjeshtë që mund të përsëritet vetë. Një gjë e tillë, shpresohet se mund të përbëjë një pararendës të makinerisë së proteinave ADN-ARN dhe përfundimisht “të ndodhë” të zhvillohet në këtë makineri shumë komplekse.

Siç u përmend, makineria e proteinave ADN-ARN është tepër komplekse. Ai përmban gjithashtu një problem delikat të pulës ose vezës, përkatësisht se plani për komponentët që replikojnë ADN-në janë vetë të koduara në ADN – gjë që sigurisht sugjeron se makineria e riprodhimit dhe ADN-ja duhet të jenë zhvilluar plotësisht në të njëjtën kohë!

Një hipotezë rreth një forme më të thjeshtë të molekulave vetë-përsëritëse të bazuara në ARN është e ashtuquajtura “bota e ARN”. Ajo u propozua për herë të parë në 1962 nga Alexander Rich, por vetë koncepti i “botës së ARN” u shpik katërmbëdhjetë vjet më vonë nga biokimisti Walter Gilbert. Në dekadat e fundit, bota e ARN-së ka qenë një nga hipotezat më të njohura rreth mënyrës sesi u ngritën njësitë e para vetë-përsëritëse në origjinën e jetës, abiogjenezën.

Midis evolucionistëve natyralistë, ka një ngurrim për të vënë në dukje se sa pak komuniteti shkencor laik duhet t’i përgjigjet pyetjes së origjinës së jetës. Kjo ilustrohet qartë, jo më pak në rastin e hipotezës së botës së ARN-së. Në debatet për këtë, njerëzit pëlqejnë të nxjerrin në pah kërkimet aktive që janë duke u zhvilluar në terren, sikur të jenë në gjurmët e përgjigjes së abiogjenezës. Ata janë gjithashtu të etur të konfirmojnë se së shpejti do të kenë një përgjigje për pyetjen. Për shembull, i poshtëshënuari mori pjesë në përvjetorin e “Darvinit 200 vjet” në Akademinë Mbretërore Suedeze të Shkencave në 2009, ku bota e ARN-së u prezantua në një leksion. Mbrojtësi i mirënjohur i evolucionit, Profesor Dan Larhammar më pas theksoi se si ai shpresonte që me hulumtimin e paraqitur atje, ne mund të “përfundonim se ishte pikërisht bota e ARN-së ajo që është përgjigja për origjinën e jetës” (i lirë nga kujtesa). Një anekdotë qesharake është se të njëjtën javë ndoqa një leksion në Universitetin e Uppsala-s rreth një tjetër teorie prebiotike, të bazuar në proteinat. Megjithatë, episodi ilustron se sa e rëndësishme është hipoteza e botës së ARN-së për narrativën evolucionare, si dhe themeli i lirë mbi të cilin qëndron kjo pjesë e enigmës.

Në fakt, ju duhet vetëm të lexoni disa artikuj shkencorë në origjinal për të marrë një ide se sa e pasigurt është gjendja e njohurive në lidhje me botën e ARN-së dhe abiogjenezën. Për shembull, mund të fillohet me një artikull të vitit 2012 të titulluar “Hipoteza Botërore e ARN-së – Teoria më e keqe e evolucionit të hershëm të jetës (përveç të gjitha të tjerave).”[1] Por edhe në një artikull rishikues krejtësisht të zakonshëm, si ai i Nature i vitit 2015, del qartë imazhi i një fushe që eksperimenton, teston dhe hamendëson, por nuk ka shumë përgjigje përfundimtare.[2]

Tani duhet thënë se nëse do të pyesni një studiues që është aktiv në këtë fushë, ai ose ajo ka të ngjarë të jetë gati të pranojë mungesën e përgjigjeve. Ky është sigurisht rasti për fituesin e çmimit Nobel, Jack Szostak, i cili në vitin 2009 mbajti një leksion në Universitetin e Uppsala në lidhje me çmimin e tij Nobel.[3] I nënshkruari kishte privilegjin të dëgjonte dhe të bënte pyetje në këtë leksion. Gjatë leksionit, Szostak ishte shumë i hapur për faktin se çështja e molekulave të para vetë-përsëritëse është e pazgjidhur, edhe pse kërkimi i tij përfshin testimin e të gjitha varianteve të mundshme se si mund të kishte ndodhur kjo. Megjithatë, kjo pamje e nuancuar është larg të qenit e paraqitur gjithmonë në debatet online apo mediat e njohura shkencore.

Gjithsesi, le të hedhim një vështrim më të afërt në vetë hipotezën e botës së ARN-së, si dhe disa probleme të dukshme të njohura me të.

Pse ARN?

Së pari, në pyetjen se pse njerëzit janë kaq të prirur të mendojnë për ARN-në si molekulën e parë vetë-përsëritëse. Duket se ka të bëjë me një kombinim të dy gjërave.

Së pari, ARN-ja ka vetinë e veçantë që mund të kryejë funksionin si përmes sekuencës së saj koduese të proteinave, ashtu edhe në strukturën e saj në formë të palosur. Për shembull, ekzistojnë të ashtuquajturat ribozime, të cilat janë një lloj enzimash (“mikromakina” molekulare) të bazuara në ARN në vend të proteinave. Thuhet se ARN ka edhe gjenotip edhe fenotip. ARN ka një tendencë të paloset dhe të lidhet me vetveten sipas modeleve specifike bazuar në sekuencën e saj të nukleotideve (“shkronjat e ARN”). Kjo i jep asaj një formë karakteristike që mund të ketë një funksion biologjik.

Së dyti, fragmentet e ARN-së ndodhin në të ashtuquajturat komplekse me proteina në enzima të caktuara në biologjinë e njohur sot. Këto dy fakte ndoshta kanë kontribuar që shumë studiues të luajnë me idenë se ARN ka luajtur një rol kyç në origjinën e jetës.

Probleme me botën e ARN-së

Prandaj, ideja themelore e botës së ARN-së është gjetja e një sistemi më të thjeshtë të molekulave ose sistemeve molekulare vetë-përsëritëse sesa makineritë e proteinave ADN-ARN që gjejmë në biologji. Por gjetja e një mënyre në të cilën ARN-ja do të formonte bazën për njësi të tilla vetë-përsëritëse, nuk është e lehtë. Molekulat e ARN-së nuk vetë-përsëriten në mënyrë spontane, por procesi kërkon një sërë mashtrimesh.[4] Është vlerësimi i “mashtrimeve” të tilla që i kushtohet shumë nga kërkimet botërore të ARN-së.

Disa nga më të rëndësishmet që janë testuar janë:

1. Përpjekje për të arritur vetë-përsëritjen pa enzimë të molekulave të thjeshta të ARN-së duke e ftohur procesin.
   Këtu, bëhet një përpjekje për të zgjidhur problemin që nukleotidet lidhen aq dobët me çiftet përkatëse të bazave, saqë ato shkëputen shumë lehtë nga njëri-tjetri. Duke e ftohur procesin deri në rreth 0˚C, rreziku i ndarjes së molekulave përsëri zvogëlohet.
2. Megjithatë, ky truk ka problemin se bie ndesh me besimin e mëparshëm të përgjithshëm se jeta do të kishte origjinën në një lloj “pishine të ngrohtë”. Nxehtësia është përgjithësisht një kërkesë që disa reaksione kimike të ndodhin me shpejtësi të mjaftueshme. Sigurisht që bëhet dilemë kur kërkohet ngrohje dhe ftohje në të njëjtën kohë!
3. Replikimi i bazuar në ribozimë i sekuencave të ARN-së me gjatësi afërsisht të njëjtë me vetë ribozimën
   Këtu, studime të ndryshme, duke përfshirë përdorimin e të ftohtit (ndonjëherë deri në -7˚C), kanë arritur të arrijnë replikimin e fragmenteve të ARN-së me gjatësi të barabartë ose më të gjatë se ato nga të cilat përbëhet ribozimi.
4. Problemi këtu është se riprodhimi i bazuar në ribozim në të vërtetë thjesht e zhvendos më tej çështjen e njësive të para vetë-përsëritëse. Si lindi ribozimi i parë? Që do të lindte vetë rastësisht është në vetvete jashtëzakonisht e pamundur dhe në raste të tilla duhet të paraprihet nga një formë e vetë-përsëritjes pa enzima.
5. Rrjeti i ribozimave ndërvepruese, i cili si një sistem i tërë është vetë-përsëritës
   Kjo ide bazohet në faktin se molekulat individuale nuk janë vetë-përsëritëse, por që sistemi në tërësi përmban një proces për riprodhimin e secilit komponent – ​​edhe nëse kjo mund të bëhet nga një komponent i ndryshëm nga ai që do të përsëritet.

Edhe këtu, problemi është se ju me të vërtetë thjesht po e çoni përpara pyetjen në lidhje me njësitë e para vetë-përsëritëse. Një rrjet i tillë kimik vetë-përsëritës duhet gjithashtu të lindë disi, dhe një sistem më kompleks vetëm e bën edhe më të pamundur që ai të lindë rastësisht.

Bota e ARN-së sot

Siç e kemi parë më lart, zgjidhjet e ndërlikuara të bazuara në ARN nuk janë të mjaftueshme për t’iu përgjigjur pyetjes se si lindi jeta për herë të parë. Ata thjesht e çojnë çështjen më tej ose e bëjnë procesin më të vështirë (p.sh. duke kërkuar ngrohje dhe ftohje pak a shumë njëkohësisht).

Cili është statusi i kërkimit për vetë-përsëritjen plotësisht pa enzimë dhe ribozimë të molekulave të ARN-së? Sipas një artikulli të vitit 2016 në revistën prestigjioze Nature Chemistry (rastësisht nga i njëjti laureat Nobel i përmendur më lart), studiuesit kishin gjetur një molekulë specifike që ndihmoi në riprodhimin e ARN-së pa enzima.[5] ti menduat. Megjithatë, kur një studiues nga një grup tjetër kërkimor më vonë u përpoq të përsëriste eksperimentin, ata ishin të pasuksesshëm dhe grupi i parë kërkimor zgjodhi të tërhiqte artikullin e tyre.[6][7]

Një tjetër zhvillim i kohëve të fundit është një grup kërkimor që po sulmon në mënyrë mjaft radikale hipotezën e botës së ARN-së, e cila besohet se është plotësisht e paaftë për atë që duhet të jetë në gjendje.

Për shembull, një nga studiuesit thotë: «Nuk ka asnjë mënyrë që një polimer i vetëm [molekula e lidhur me zinxhirë] të mund të përballojë të gjitha proceset e nevojshme që ne i karakterizojmë tani si pjesë e jetës.» Më tej besohet se ARN nuk mund të evoluojë për të sinkronizuar të gjitha proceset e ndryshme kimike që duhet të ndodhin, por ato do të dilnin jashtë rrugës në mënyrë të pakontrolluar. Gjithashtu nuk shihet se ARN do të jetë në gjendje të zhvillojë kodin gjenetik.[8] Në vend të kësaj, propozohet një teori tjetër, e bazuar në një kompleks të ARN-së dhe peptideve (zinxhirët e aminoacideve shumë të shkurtër për t’u quajtur proteina) i përbërë nga vetëm dy aminoacide të ndryshme.[9][10] Edhe këtu, askush nuk i është afruar zgjidhjes së problemit, por vetëm ka kuptuar se vetë ARN-ja nuk është e mjaftueshme për sistemin e parë vetë-përsëritës. Kërkohet një sistem më kompleks, dhe si rrjedhim edhe një sistem edhe më i pamundur.

Komenti përfundimtar

Është interesante të studiohet dhe të reflektohet mbi hulumtimin se si mund të ketë ndodhur evolucioni i rastësishëm i jetës së parë. Ekipet e shkencëtarëve me arsim të lartë, inteligjentë dhe që mendojnë përpara po e shtyjnë veten deri në kufi dhe më pas disa për të gjetur një mënyrë të mirë për të hartuar një sistem që mund të përsërisë vetveten. Vetëm ky fakt sugjeron që ne nuk do të marrim automatikisht një përgjigje për pyetjen që bëmë: Si lindi jeta vetvetiu? Nëse kërkuesit arrijnë të krijojnë një sistem vetë-përsëritës, atëherë ne do të kemi gjetur përgjigjen sesi dizajnerët inteligjentë dhe që mendojnë përpara mund të krijojnë sisteme vetë-përsëritëse.

Por të gjitha këto përpjekje gjithsesi kanë bërë të qartë një gjë: nuk është aq e lehtë të krijosh një sistem të fuqishëm vetë-përsëritës që nuk përmban makinerinë e njohur të proteinës ADN-ARN. Ndoshta studiuesit që morën qasjen e kundërt i janë afruar të vërtetës? Domethënë, ata që hoqën gjithnjë e më shumë komponentë nga organizmi më i thjeshtë njëqelizor derisa gjithçka u rrëzua, dhe arritën në përfundimin se të paktën 473 proteina nevojiteshin njëkohësisht që jeta të funksiononte[11] – një numër tepër i madh – padyshim shumë i madh për t’u lindur rastësisht!

Me fjalë të tjera, ne jemi edhe më të paditur për çështjen e abiogjenezës se kurrë. Dhe në çdo rast, bota e ARN-së vështirë se ishte përgjigja e pyetjes. Pyetja në fakt është bërë krejtësisht gabim!

Referenca:

[1] H S Bernhardt, “Hipoteza e botës së ARN-së: teoria më e keqe e evolucionit të hershëm të jetës (përveç të gjitha të tjerave)” në Biol Direct 7 2012, f. 1–10

[2] P G Higgs & N Lehman, “Bota e ARN-së: Bashkëpunimi molekular në origjinën e jetës” në Nature Review Genetics 16(1) 2015, f. 7–17. Në dispozicion nga: http://dx.doi.org/10.1038/nrg3841.

[3] E H Blackburn, J W Szostak, V Ramakrishnan, T A Steitz, A E Yonath & E Ostrom, Nobel Lectures 2009, Medfarms Media Library, Uppsala University. Në dispozicion nga: http://media.medfarm.uu.se/media717 dhe http://media.medfarm.uu.se/play/video/1478.

[4] Higgs & Lehman, “Bota e ARN: Bashkëpunimi molekular në origjinën e jetës”.

[5] T Z Jia, A C Fahrenbach, N P Kamat, K P Adamala & J W Szostak, “Peptidet oligoarginine ngadalësojnë pjekjen e fijeve dhe ndihmojnë replikimin jo enzimatik të ARN” në Nature Chemistry 8 (10) 2016, f. 915-21. https://www.nature.com/articles/nchem.2885.

[6] “”Padyshim e turpshme:” Laureati i Nobelit tërhiqet letrën e pa-riprodhueshme në revistën Nature” në Retraction Watch 2017, Në dispozicion nga: http://retrationwatch.com/2017/12/05/definitely-embarrassing-nobel-laureate-rtracts-producn-jopernal.

[7] T Z Jia, A C Fahrenbach, N P Kamat, K P Adamala & J W Szostak, “Peptidet oligoarginine ngadalësojnë pjekjen e fijes dhe ndihmojnë replikimin jo enzimatik të ARN” në Nature Chemistry 8 (10) 2016, fq 915-21. DOI: 10.1038/nchem.2551). Nat Chem [Internet] 9(12) 2017, f. 1286. E disponueshme nga: http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2885.

[8] J Cepelewicz, “Fundi i botës së ARN-së është afër, Biochemists Argue” në Quanta Magazine 2017. https://www.quantamagazine.org/the-end-of-the-rna-worldis-near-biochemists-argue-20171219/.

[9] P. R. Wills & C. W. Carter. “Probleme të pakapërcyeshme të kodit gjenetik që shfaqen fillimisht në një botë ARN” në BioSystems[Internet] 164 2018, fq. 155–66. Në dispozicion nga: https://doi.org/10.1016/j.biosystems. 2017.09.006

[10] C W Carter & P R Wills, “Ndërvarësia, refleksiviteti, besnikëria, përputhja e rezistencës dhe evolucioni i kodimit gjenetik” Në Biologjinë Molekulare dhe Evolucionin 35(2) 2018, fq. 269–86. Në dispozicion nga: https://doi.org/10.1093/molbev/msx265.

[11] C A Hutchison, R Y Chuang, V N Noskov, N Assad-Garcia, T J Deerinck& M H Ellisman, “Design and synthesis of a minimal bacterial genome” në Science 351(6280) 2016. E disponueshme nga: https://doi.org/10.113.6/10.112.