Molekular na Pinagmulan ng Buhay: Ano ang Unang Nabuo – Protein, DNA o RNA o isang Kumbinasyon Nito?

'Maraming mga katanungan tungkol sa pinagmulan ng buhay ang nasagot, ngunit marami ang nananatiling pag-aaralan'' sabi ni Stanley Miller at Harold Urey noong 1959 pagkatapos mag-ulat ng laboratoryo ng synthesis ng mga amino acid sa primitive na kondisyon ng lupa. Maraming mga pagsulong sa linya ngunit ang mga siyentipiko ay matagal nang nakikipagbuno sa isang pangunahing tanong - kung aling genetic na materyal ang unang nabuo sa primitive earth, DNA or RNA, o kaunti sa pareho? May katibayan na ngayon na nagmumungkahi na DNA at RNA maaaring pareho silang umiral sa primordial na sopas kung saan maaaring umunlad ang mga anyo ng buhay na may kani-kanilang genetic na materyales.

Ang sentral na dogma ng molecular biology ay nagsasaad na DNA Ginagawang RNA Ginagawang proteins. Protina ay responsable para sa karamihan, kung hindi lahat ng mga reaksyon na nagaganap sa isang organismo. Ang buong pag-andar ng isang organismo ay higit na nakadepende sa kanilang presensya at pakikipag-ugnayan ng protina mga molekula. Ayon sa gitnang dogma, proteins ay ginawa ng impormasyong nakapaloob sa DNA na na-convert sa functional protina sa pamamagitan ng isang messenger na tinatawag na RNA. Gayunpaman, posible iyon proteins ang kanilang mga sarili ay maaaring mabuhay nang nakapag-iisa nang walang anumang DNA or RNA, tulad ng kaso sa mga prion (misfolded protina mga molekula na walang laman DNA or RNA), ngunit maaaring mabuhay nang mag-isa.

Kaya, maaaring mayroong tatlong senaryo para sa pinagmulan ng buhay.

A) Kung ang proteins o ang mga bloke ng gusali nito ay nagawang bumuo ng abiotic sa panahon ng atmospera na umiiral bilyun-bilyong taon na ang nakalilipas sa primordial na sopas, proteins maaaring tawaging batayan ng pinagmulan ng buhay. Ang pang-eksperimentong ebidensya sa pabor nito ay nagmula sa sikat na eksperimento ni Stanley Miller^{1, 2}, na nagpakita na kapag ang pinaghalong methane, ammonia, tubig at hydrogen ay pinaghalo at nailipat sa isang electric discharge, nabubuo ang pinaghalong amino acid. Muli itong pinatunayan makalipas ang pitong taon³ noong 1959 nina Stanley Miller at Harold Urey na nagsasaad na ang pagkakaroon ng pagbabawas ng atmospera sa primordial earth ay nagbunga ng synthesis ng ng bahagi ng katawan mga compound sa pagkakaroon ng mga nabanggit na gas at mas maliit na halaga ng carbon monoxide at carbon dioxide. Ang kaugnayan ng mga eksperimento sa Miller-Urey ay kinuwestiyon ng siyentipikong kapatiran sa loob ng ilang taon, na nag-isip na ang pinaghalong gas na ginamit sa kanilang pananaliksik ay masyadong nababawasan na may paggalang sa mga kondisyon na umiral sa primordial Earth. Ang isang bilang ng mga teorya ay tumuturo patungo sa isang neutral na kapaligiran na naglalaman ng labis na CO2 na may N2 at singaw ng tubig⁴. Gayunpaman, ang isang neutral na kapaligiran ay nakilala rin bilang isang makatwirang kapaligiran para sa synthesis ng mga amino acid⁵. Bilang karagdagan, para sa proteins upang kumilos bilang pinagmulan ng buhay, kailangan nilang mag-replicating sa sarili na humahantong sa isang kumbinasyon ng iba't ibang proteins upang matugunan ang iba't ibang reaksyon na nagaganap sa isang organismo.

B) Kung ang primordial na sopas ay nagbigay ng mga kondisyon para sa pagbuo ng mga bloke ng DNA at / o RNA na mabuo, kung gayon ang alinman sa mga ito ay maaaring ang genetic na materyal. Ang pananaliksik hanggang ngayon ay pinapaboran RNA na maging genetic material para sa pinagmulan ng mga anyo ng buhay dahil sa kanilang kakayahang tumupi sa sarili nito, na umiiral bilang isang strand at kumikilos bilang isang enzyme.⁶, may kakayahang gumawa ng higit pa RNA mga molekula. Ang isang bilang ng mga self-replicating RNA enzymes⁷ ay natuklasan sa paglipas ng mga taon na nagmumungkahi RNA upang maging panimulang genetic material. Ito ay higit na pinalakas ng pananaliksik na isinagawa ng grupo ni John Sutherland na humantong sa pagbuo ng dalawang base ng RNA sa isang kapaligiran na katulad ng primordial na sopas sa pamamagitan ng pagsasama ng pospeyt sa pinaghalong⁸. Ang pagbuo ng mga bloke ng gusali ng RNA ay ipinakita din sa pamamagitan ng pagtulad sa isang nagpapababang kapaligiran (naglalaman ng ammonia, carbon monoxide at tubig), katulad ng ginamit sa eksperimento ni Miller-Urey at pagkatapos ay ipinapasa ang mga de-kuryenteng discharge at mga high-power na laser sa pamamagitan ng mga ito.⁹. Kung ang RNA ay pinaniniwalaan na ang maylikha, kung kailan at paano nangyari DNA at nabuo ang mga protina? ginawa DNA bumuo bilang isang genetic na materyal sa ibang pagkakataon dahil sa hindi matatag na katangian ng RNA at sinundan ng mga protina. Ang mga sagot sa lahat ng mga tanong na ito ay nananatiling hindi nasasagot.

C) Ang ikatlong senaryo na ang DNA at RNA ay maaaring magkasabay na umiral sa primordial na sopas na humantong sa pinagmulan ng buhay ay nagmula sa mga pag-aaral na inilathala noong 3^rd Hunyo 2020 ng grupo ni John Sutherland mula sa MRC Laboratory sa Cambridge, UK. Ginaya ng mga mananaliksik ang mga kondisyon na umiral sa isang primordial Earth bilyun-bilyong taon na ang nakalilipas, na may mababaw na pond sa lab. Una nilang natunaw ang mga kemikal na nabubuo RNA sa tubig, na sinusundan ng pagpapatuyo at pag-init sa kanila at pagkatapos ay isasailalim sila sa UV radiation na gayahin ang mga sinag ng araw na umiiral sa primordial time. Ito ay hindi lamang humantong sa synthesis ng dalawang mga bloke ng gusali ng RNA ngunit din ng DNA, na nagmumungkahi na ang parehong nucleic acid ay magkakasamang umiral sa panahon ng pinagmulan ng buhay¹⁰.

Batay sa kontemporaryong kaalaman na umiiral ngayon at paggalang sa sentral na dogma ng molecular biology, tila kapani-paniwala na ang DNA at RNA ay magkakasamang umiral na humantong sa pinagmulan ng buhay at ang pagbuo ng protina ay dumating/naganap sa ibang pagkakataon.

Gayunpaman, nais ng may-akda na mag-isip-isip ng isa pang senaryo kung saan ang lahat ng tatlong mahahalagang biological macromolecules, viz. Ang DNA, RNA at protina ay umiral nang magkasama sa primordial na sopas. Ang magulong kondisyon na umiral sa primordial na sopas na kinasasangkutan ng kemikal na kalikasan ng ibabaw ng lupa, mga pagsabog ng bulkan at pagkakaroon ng mga gas tulad ng ammonia, methane, carbon monoxide, carbon dioxide kasama ang tubig ay maaaring mainam para sa lahat ng macromolecules na mabuo. Ang isang pahiwatig nito ay ibinigay ng pananaliksik na ginawa ni Ferus et al., kung saan nabuo ang mga nucleobase sa parehong nagpapababang kapaligiran⁹ ginamit sa eksperimento ni Miller-Urey. Kung tayo ay maniniwala sa hypothesis na ito, pagkatapos ay sa panahon ng ebolusyon, ang iba't ibang mga organismo ay nagpatibay ng isa o iba pang genetic na materyal, na pinapaboran ang kanilang pag-iral sa pasulong.

Gayunpaman, habang sinisikap nating maunawaan ang pinagmulan ng mga anyo ng buhay, higit pang pananaliksik ang kinakailangan upang masagot ang mga pundamental at mahahalagang tanong tungkol sa kung paano nagmula at lumaganap ang buhay. Mangangailangan ito ng "out-of-the-box" na diskarte nang hindi umaasa sa anumang mga pagkiling na ipinakilala sa ating pag-iisip ng mga kasalukuyang dogma na sinusunod sa agham.

***

Sanggunian:

1. Miller S., 1953. Isang Produksyon ng Amino Acids sa ilalim ng Posibleng Primitive Earth Conditions. Agham. 15 Mayo 1953: Vol. 117, Isyu 3046, pp. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotic Soup–Revisiting the Miller Experiment. Agham 02 Mayo 2003: Vol. 300, Isyu 5620, pp. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Miller SL at Urey HC, 1959. Organic Compound Synthesis sa Primitive Earth. Agham 31 Hul 1959: Vol. 130, Isyu 3370, pp. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Komposisyon at klima sa atmospera sa unang bahagi ng Daigdig. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Nai-publish:07 Setyembre 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Isang reassessment ng prebiotic organic synthesis sa neutral na mga planetary atmosphere. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Ang intervening sequence RNA ng Tetrahymena ay isang enzyme. Agham 31 Ene 1986: Vol. 231, Isyu 4737, pp. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Ribozyme-Catalyzed Transcription ng isang Active Ribozyme. Agham 08 Abr: Vol. 332, Isyu 6026, pp. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Synthesis ng activated pyrimidine ribonucleotides sa prebiotically plausible na mga kondisyon. Kalikasan 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Pagbubuo ng mga nucleobase sa isang Miller-Urey na nagpapababa ng atmospera. PNAS Abril 25, 2017 114 (17) 4306-4311; unang nai-publish noong Abril 10, 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selective prebiotic formation ng RNA pyrimidine at DNA purine nucleosides. Kalikasan 582, 60–66 (2020). Na-publish: 03 Hunyo 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***