نخستین حیات: جستجوی نخستین ژن همانندساز

MacTavish · 21/1/20

بیگ بنگ: حیات می بایست با یک مولکول ساده که توان تکثیر خود را داشته، آغاز شده باشد. چهار میلیارد سال پیش سطح سیارۀ تازه ایجاد شده زمین در نزدیکی خورشید، با کاهش دما مواجه می شود. این سیاره جای خشن و ناآرامی است؛ سیارک ها بر سر آن آوار شده و فوران های آتش فشانی آن را در هم دریده است.

به گزارش بیگ بنگ، زمین اتمسفری مملو از گازهای سمی دارد. اما به محض اینکه دریاچه ها و اقیانوس ها در سطح آن شروع به شکل گیری می کنند، اتفاق خارق العاده ای روی می دهد. یک مولکول یا شاید مجموعه ای از مولکول ها با قابلیت تکثیر خود پدید می آیند. این اتفاق سرآغاز فرگشت یا تکامل بود. پس از ظهور پدیده هایی با قابلیت تکثیر خود، انتخاب طبیعی روی داد. با این شرایط، زمینه برای تکثیر موجودات فراهم شد. خیلی زود نخستین سلول های ساده ایجاد شدند. باقی داستان به ماقبل تاریخ بر می گردد. میلیاردها سال بعد، برخی از گونه های سلول اولیه به موجودات زنده هوشمند فرگشت پیدا کردند. چه مولکولی آغازگر تمامی این رویدادها بود؟

در دهه ۱۹۶۰ میلادی، تعداد اندکی از آن موجودات زنده هوشمند نسبت به این موضوع با تردید نگریستند که مولکول های خود تکثیر از RNA ساخته شده اند. این ایده همواره با مشکل بزرگی روبروست، اگرچه هیچ راه ِ شناخته شده ای وجود نداشت که مولکول های RNA بتوانند به کمک آن در زمین ابتدایی ایجاد شوند. اگر مولکول های RNA نتوانستند بطور خودبخودی شکل بگیرند، پس مولکول های خود تکثیر RNA چگونه به وجود آمده اند؟ آیا همانندساز دیگری قبل از آن وارد عمل شد؟ چه مولکولی در این کار نقش داشت؟ به تدریج به پاسخ این سوالات نزدیک می شویم.

زمانی که زیست شناسان برای برای اولین بار شروع به تفکر در خصوص نحوه ایجاد حیات کردند، مسئله قدری گیج کننده به نظر می رسید. در کلیه موجودات زنده امروزی، پروتئین ها کار سخت را بر دوش می گیرند. پروتئین ها توان تبدیل شدن به انواع گوناگونی از اشکال را دارند، پس هر کاری از دست شان بر می آید؛ مثل عملی بعنوان آنزیم. آنزیم ها در کاتالیز طیف گسترده ای از واکنش های شیمیایی به ایفای نقش می پردازند. با این حال، اطلاعات مورد نیاز برای ساخت پروتئین ها در مولکول های DNA ذخیره می شود. امکان ساخت پروتئین های جدید بدون DNA وجود ندارد و بدون پروتئین ها نیز نمی توان DNA جدید ساخت. پس کدام یک در ابتدا آمد، پروتئین یا دی ان ای؟

اکتشاف دهه ۱۹۶۰ میلادی مبنی بر اینکه RNA می تواند مانند یک پروتئین به اشکال مختلف اما نه ساختارهای پیچیده در آید، کمک شایانی به دانشمندان کرد. اگر RNA میتوانست واکنش ها را کاتالیز کرده و اطلاعات را ذخیره کند، بعضی از مولکول های RNA می بایست توان ایجاد مولکول های RNA بیشتری را داشته باشند. اگر این ایده صحیح بوده باشد، همانندسازهای RNA نیازی به پروتئین نداشته اند. آنها می توانستند همۀ کارها را خودشان انجام دهند.

این ایده بسیار جالب توجه بود، اما در آن زمان فقط یک نوع گمانه زنی به شمار می رفت. هیچکس موفق به یافتن این نکته نشده بود که RNA می تواند مانند آنزیم های پروتئین به کاتالیز واکنش ها بپردازد. پس از دهه ها جستجو، سرانجام یک آنزیم RNA در سال ۱۹۸۲ کشف شد. «توماس سچ» از دانشگاه کلرادو در بولدر آن آنزیم را در «تتراهیمنا ترموفیلا(Tetrahymena thermophila) پیدا کرد، یک جانور تک سلولی عجیب با هفت جنسیت.

پس از این اکتشاف، درهای بیشتری به روی دستاوردهای علمی باز شد. دانشمندان آنزیم های RNA بیشتری در موجودات زنده پیدا کردند و آنزیم های جدیدی در آزمایشگاه های خود ساختند. RNA به دلیل پایداری کم نمی تواند به خوبی DNA به ذخیره سازی اطلاعات بپردازد، اما این نکته در حال شفاف سازی بود که RNA می تواند یک مولکول همه فن حریف باشد. این یافته باعث بهبود ایده ای شد که می گفت حیات اولیه از مولکول های RNA ساخته شده است و آنها در تسریع تولید مولکول های RNA بیشتر نقش داشتند. در ۲۵ سال گذشته، شیمیدان دانشگاه هاروارد «والتر گیلبرت» نام جهان RNA را برای آن برگزید.

شاید این همانندسازهای RNA آمیـ*ـزش **** هم داشته اند. آنزیم RNA کشف شده توسط “سچ” صرفاً واکنش های قدیمی را کاتالیز نمی کرد. وارونگی واکنش می تواند RNA را به زنجیره ها اضافه کند؛ یعنی احتمالا همانندسازهای RNA توان معاوضه قطعاتی را با سایر مولکول های RNA داشته اند. این قابلیت می تواند تا حد زیادی باعث تسریع فرگشت شود؛ زیرا نوآوری های حاصل از نژادهای جداگانه همانندسازها را می توان در یک نژاد تجمع یابد.

همانندسازهای تکامل یابنده

بسیاری از زیست شناسان در سال ۲۰۰۰ به استدلال قاطع رسیدند، زمانی که ساختار کارخانه های سازنده پروتئین در سلول ها مشخص شد. در این کار تایید شد که یک آنزیم RNA در قلب این ساختارها وجود دارد و اگر پروتئین ها توسط RNA ساخته شده باشند، باید RNA زودتر پدید آمده باشد. اما همچنان برخی مسائل بطور گنگ باقی مانده بود. یکی از مسائل مبهم این بود که آیا RNA واقعا توان تکثیر خودش را داشت یا خیر. امروزه، DNA و RNA برای رونویسی از خود به پروتئین های زیادی نیاز دارند. اگر یک خود همانندساز هم وجود داشته، باید قرن ها پیش از بین رفته باشد. پس، زیست شیمیدانان خود در ایجاد یک چنین همانندسازی گام برداشتند. آنان در این راستا، یک سری RNA را بطور تصادفی برگزیده و برای نسل ها مجاب به فرگشت کردند تا ببینند چه نتیجه ای در نهایت حاصل می شود.

در سال ۲۰۰۱، این فرآیند به ایجاد یک آنزیم RNA به نام R18 منجر گردید که می توانست ۱۴ نوکلئوتید را با استفاده از RNA دیگری به RNA موجود بچسباند. اما RNA خود تکثیر باید RNA هایی را میساخت که حداقل طولی برابر با خود دارند. این RNA از طولی معادل ۱۸۹ نوکلئوتید برخوردار است، اما بلندترین RNA فقط بیست نوکلئوتید دارد.

در اوایل همان سال پیشرفت چشمگیری حاصل آمد. «فیلیپ هالیگر» از آزمایشگاه زیست شناسی مولکولی MRC در دانشگاه کمبریج انگلیس و همکارانش از یک آنزیم RNA به نام tC19Z رونمایی کردند. این آنزیم، توالی های RNA را تا ۹۵ حرف رونویسی می کند، یعنی تقریبا نصف خودش. برای انجام این کار، tC19Z در بخش انتهایی RNA تجمع می یابد و به نوکلئوتید صحیح متصل می شود؛ سپس یک قدم به جلو حرکت کرده و یکی دیگر را اضافه می کند. هالیگر گفت: «هنوز این مسئله برای من جالب است که میتوان با چنین نوکلئوتید ساده ای، کارهای بسیار پیچیده ای را انجام داد.»

پس زیست شناسان بطور چشمگیری به ساخت یک مولکول RNA یا مجموعه ای از مولکول ها با توانایی خود تکثیرى نزدیک می شوند. باید به نکته دیگری هم توجه داشت: انرژی لازم برای پیشبرد این فعالیت از کجا نشأت می گیرد؟ باید یک نوع فرآیند متابولیک در کار بوده باشد. «آدریان فرر ده آماره» از سازمان ملی قلب، ریه و خون در بتسداى مریلند گفت: «این مسئله همواره مایۀ رنجش ما بوده که آیا RNA می تواند از پس تمامی این فعالیت ها بر آید یا خیر.» RNA فقط چند گروه کارکردی فعال به لحاظ شیمیایی دارد که فقط چند نوع محدود از واکنش های شیمیایی را کاتالیز می کند.

این گروه ها مانند ابزارند؛ هرچه انواع بیشتری از آنها را در اختیار داشته باشید، کارهای بیشتری می توانید انجام دهید. پروتئین ها در مقایسه با RNA ها از گروه های کارکردی بیشتری برخوردارند. پروتئین ها از عواملی برای گسترش دامنه واکنش های قابل کنترل خود استفاده می کنند. «فرر ده آماره» می گوید که حیات نمی تواند بدون این کوفاکتورها(اجزای غیر پروتئینی برخی آنزیم‌ها هستند) وجود داشته باشد. حالا می دانیم که آنزیم های RNA نیز از این کوفاکتورها بهره می برند. «هروکى سوگا»، نوعی آنزیم RNA ساخت که می تواند به کمک NAD+ را اکسیده کند. آنزیم های پروتئین زیادی از NAD+ استفاده می کنند. چند ماه بعد، «رونالد بریکر» از دانشگاه ییل دریافت که یک آنزیم RNA طبیعی به نام glmS از کوفاکتورها استفاده می کند.

به گفتهٔ آقای فرر، باکتری های متعددی از glmS استفاده می کنند. پس آنزیم های RNA استفاده کننده از کوفاکتورها راحت تر فرگشت، می یابند. اینطور به نظر می رسد که گویی مولکول های RNA قادر به انجام طیفی از واکنش های لازم برای تولید انرژی بوده اند. پس شواهد مبنی بر اینکه زمانی جهان ِ RNA وجود داشته است، روز به روز قانع کننده تر می شود. «دونا بلکموند» از مؤسسه تحقیقات اسکریپس در کالیفرنیا می گوید: «مخالفان جهان ِ RNA تا حد زیادی از موضع خود فاصله گرفته اند.»

سوال اساسی این است که RNA در وهله اول از کجا آمد؟ مولکول های RNA رشته هایی از نوکلئوتید هستند که از یک قند به همراه یک باز و یک فسفات متصل به آن تشکیل شده است. در سلول های زنده، آنزیم های متعددی در تولید نوکلئوتیدها و اتصال آنها به یکدیگر نقش دارند. اما سیاره نوپا فاقد چنین آنزیم هایی بود. «لزلى اورگل» زیست شیمیدان در سال ۱۹۹۶ نشان داد که وقتی نوکلئوتیدهای فعال به نوعی رس آتش فشانی اضافه شدند، مولکول های RNA برخوردار از ۵۵ نوکلئوتید شکل گرفتند. ایجاد مولکول های بزرگ RNA با نوکلئوتیدهاى معمولی به لحاظ انرژی نامطلوب اند، اما نوکلئوتیدهاى فعال انرژی لازم را برای علاقه‌مند و وقوع واکنش فراهم می کنند.

خب این نشان می دهد که اگر مقدار زیادی نوکلئوتید فعال در زمین اولیه وجود داشت، مولکول های بزرگ RNA باید بطور خودبخودی به وجود آمده باشند. علاوه براین، آزمایش های شبیه سازی شرایط حاکم بر زمین ابتدایی و سیارک ها نشان می دهد که قندها، بازها و فسفات ها نیز بطور طبیعی ظهور می یابند. کنار هم قرار گرفتن نوکلئوتیدها بخش سخت کار است. بدون آنزیم های تخصصی، ظاهراً راه دیگری برای الحاق این اجزاء وجود ندارد.

به دلیل شکل مولکول ها، ممکن است قند به یک باز بپیوندد؛ حتی اگر چنین اتفاقی بیفتد، مولکول ترکیبی سریعاً از هم فرو می پاشد. این مشکل به ظاهر برطرف نشدنی بسیاری از زیست شناسان را به این واداشت تا گمان کنند که RNA همانندساز اول نبوده است. بسیاری شروع به بررسی این احتمال کردند که دنیای RNA قبل از دنیای TNA، دنیای PNA یا دنیای ANA پدید آمد. این ها همه مولکول هایی شبیه به RNA هستند، ولی انتظار می رود واحد های اساسی آنها بطور خودبخودی ایجاد شده باشد. مشکل اصلی این ایده آن است که اگر حیات به این طریق شکل گرفت، هیچ شواهد و قرائنی از آن باقی نمی ماند. «جرالد جویس» از مؤسسه تحقیقات اسکریپس می گوید: «مدرک غیر قابل انکاری موجود نیست.»

«جان ساترلند» در آزمایشگاه زیست شناسی مولکولی MRC تلاش های بی وقفه ای برای حل مسئله نوکلئوتید انجام داده است. او دریافت که شاید محققان راه اشتباهى را در این مورد طی کرده اند. او بیان کرد: «در هر نوکلئوتید، یک قند، یک باز و یک گروه فسفات مشاهده می کنید. پس باید ابتدا این عناصر پایه را ساخته و سپس آنها را به یکدیگر پیوند دهید. و موثر واقع نمی شود.»

او به این موضوع فکر می کرد که آیا مولکول های ساده تر بدون تبدیل شدن به قندها یا بازها می توانند در یک نوکلئوتید جای بگیرند یا خیر. او در سال ۲۰۰۹ تایید کرد که چنین چیزی امکان پذیر است. او نصف یک قند و نصف یک باز را به یکدیگر پیوند داد. لذا آن پیوند قند-باز حیاتی که همه در موردش تقلا می کردند، به وجود آمد. او سپس باقی قند و باز را بررسی کرد و در پایان به فسفات رسید. ساترلند دریافت که فسفات باید در ترکیب وجود داشته باشد تا واکنش های اولیه به وقوع بپیوندند.

ساتر به گنجاندن فسفات از همان ابتدا، کار را به دشواری و بی نظمی کشید اما در نهایت به بهترین نتایج دست یافت. زمین اولیه جایی آشفته و به هم ریخته اما ایده آل برای ساخت نوکلئوتید بوده است. ساتر اکنون از وجود یک شیمی مفید و مختصری سخن میگوید که ترکیبات کلیدی زیادی را پدید آورده است. هالیگر گفت: «ساترلند به یک دستاورد واقعی رسیده بود. همه محققان دست به تلاش بیهوده می زدند.» این مسئله هنوز بطور کامل حل نشده است. RNA چهار نوکلئوتید مختلف دارد و ساترلند تا اینجا فقط دو مورد از آنها را ایجاد کرده است. با این حال، او مدعی شده که فاصله زیادی با ایجاد دو نوکلئوتید دیگر ندارد. اگر به موفقیت برسد، مشخص خواهد شد که شکل گیری همانندساز RNA زیاد غیر محتمل نیست و به احتمال زیاد، نخستین همانندساز از RNA ساخته شد.

البته سوالات بی پاسخ زیادی هست. اولین همانندسازها در کجا ظهور یافتند؟ حیات اولیه دارای چه ویژگی هایی بود؟ گذار به DNA و پروتئین ها و توسعه کد ژنتیکی چگونه روی داد؟ شاید هرگز جواب آن را ندانیم اما راه های نوید بخشی متعددی در حال بررسی هستند. به اعتقاد بسیاری از زیست شناسان باید چیزی شبیه یک سلول از همان ابتدا وجود داشته باشد که حاوی همانندساز بوده و اجزای آن را کنار هم نگه دارد. بدین ترتیب، افراد می توانند بر سر منابع رقابت کرده و به طرق مختلفی فرگشت یابند.

«جک شوستاک» از دانشگاه هاروارد نشان داد همان خاک رسی که زنجیره های RNA را ایجاد می کند، در شکل گیری کیسه های غشایی نیز نقش دارد. او سلول هایی را پرورش داده که می توانند RNA را حمل کرده و بدون دستگاه های سلولی امروزی تقسیم گردد. ایدۀ دیگر این است که حیات در دهانه های آب گرمایی آلکالین در کف دریا آغاز شد. این دهانه ها نه تنها مملو از منافذ و حباب هستند، بلکه همان نوع شیب الکتروشیمیایى را فراهم می کنند که زمینه ساز تولید انرژی در سلول هاست. شاید شرایط برای تولید زنجیره های بلند RNA مهیا بوده است. RNA سرد می تواند مدتی طولانی دوام آورد. یخ منافع دیگری را هم به ارمغان می آورد. وقتی آب مملو از RNA و سایر مواد شیمیایی سرد شود، قسمتی از آن یخ زده و بقیه آن به شورابه متراکمی تبدیل می شود که پیرامون بلور های یخ حرکت می کند. هیچ آثار فسیلی از نخستین همانندسازها در دست نیست. اما ما می توانیم جهان ِ RNA را بازسازی کنیم تا از چند و چون قضیه سر در آوریم. یک روز این مسائل را حل خواهیم کرد.