Vznikl život z RNA?
Okolnosti vzniku života na Zemi jsou zase o něco jasnější. Důležitou roli při něm sehrály molekuly, které v sobě kombinují stavební prvky bílkovin a základních molekul dědičnosti.
Současný pozemský život ukládá dědičnou informaci do dvojité šroubovice kyseliny deoxyribonukleové (DNA) a podle jejích instrukcí pak vytváří pestrou škálu bílkovin. Mnohé bílkoviny slouží v buňkách jako katalyzátory životně důležitých biochemických reakcí včetně syntézy DNA. Jednoduché šroubovice kyseliny ribonukleové (RNA) vystupují v tomto procesu jako prostředníci. Vznikají na základě informací uložených v DNA a slouží jako matrice pro syntézu bílkovin z jednotlivých stavebních kamenů – aminokyselin.
Evoluci této základní mašinerie všech pozemských organismů dlouho halilo tajemství. Vznikla dříve DNA a podle ní se následně začaly tvořit bílkoviny? Anebo vznikly nejprve bílkoviny, které katalyzovaly vznik DNA?
Dilema připomínající otázku, zda byla dřív slepice, nebo vejce, vyřešila teorie „světa RNA“. Postavila do středu dění opomíjeného prostředníka v podobě jednoduché šroubovice kyseliny ribonukleové. Podle této teorie plnily na úsvitu pozemského života molekuly RNA funkci dědičné informace a zároveň sloužily jako katalyzátory biochemických reakcí.
Teorie o RNA světě vznikla už v 60. letech minulého století. Na pevnější půdu se dostala až v 80. letech objevem tzv. ribozymů, což jsou molekuly RNA se schopností katalyzovat biochemické reakce. Teorie RNA světa však i nadále naráží na řadu úskalí. Molekuly kyseliny ribonukleové jsou křehké, a zvláště jejich delší řetězce bývají hodně náchylné k poškození. Teorie se tak musí popasovat s jejich stabilizací.
Záhadou zůstávaly také procesy, které nastartovaly ve světě RNA syntézu bílkovin a vytvořily tak předpoklad pro náhradu ribozymů bílkovinnými katalyzátory biochemických reakcí. Jejich vysvětlení nabízí tým vedený organickým chemikem Thomasem
Carellem z Mnichovské univerzity. Výsledky jejich výzkumu zveřejnil vědecký časopis Nature.
Exotická písmena
Současné formy života vyrábějí bílkovinné molekuly z jednotlivých aminokyselin podle instrukcí RNA. Syntéza se odehrává na útvarech označovaných jako ribozomy, které se skládají z molekul zvláštních ribonukleových kyselin a zároveň také z bílkovin. Ribozomy mají velmi komplikovanou stavbu a svět RNA se bez nich musel při syntéze bílkovin obejít. Po předchůdci ribozomů vědci dlouho marně pátrali.
„Vypadalo to, jako kdyby ribozomy spadly z nebes,“vzpomíná Thomas Carell, jehož tým studuje okolnosti vzniku základních stavebních kamenů kyseliny ribonukleové už od roku 2018.
Šroubovice RNA je poskládaná ze čtveřice písmen genetického kódu – adeninu, guaninu, cytosinu a uracilu. Vedle této základní sady se však v buňkách vyskytuje více než 120 dalších „exotických“písmen. Carell se svým týmem zjistil, že tato písmena mohla vznikat z mnohem jednodušších molekul a zřejmě byla k dispozici i při samotných počátcích života. Exotická písmena genetického kódu se účastní řady životních pochodů.
Kromě jiného výrazně přispívají v ribozomech k syntéze proteinů podle instrukcí jednoduchých šroubovic RNA. Thomas Carell tvrdí, že tahle role exotických písmen genetického kódu není evoluční novinka, ale představuje pozůstatek z dob světa RNA. Protože se některá exotická písmena vážou celkem ochotně na aminokyseliny, mohla sehrát zásadní úlohu při syntéze prvních bílkovin bez účasti ribozomů. Reálnost tohoto předpokladu nyní vědci potvrdili laboratorními pokusy.
Bílkoviny bez ribozomů
Carell a jeho spolupracovníci připravili v laboratoři řetězce RNA ze standardního kvartetu písmen genetického kódu a na jejich konec připojili buď exotické písmeno označované jako t6A, anebo jeho protějšek označovaný jako mnm5U. Když k těmto řetězcům RNA přidali aminokyseliny, navázaly se tyto základní stavební kameny bílkovin na písmeno t6A. Oba typy jednoduchých řetězců RNA byly vytvořeny tak, aby se vzájemně propojovaly do dvojité šroubovice. Když pak vědci zvýšením teploty donutili oba řetězce RNA k oddělení, přešla aminokyselina z řetězce zakončeného písmenem t6A na vedlejší řetězec s exotickým písmenem mnm5U.
Řetězec RNA, který tímto způsobem získal aminokyselinu, mohl následně vytvořit dvojitou šroubovici s jiným řetězcem RNA, který na svém konci nesl další aminokyselinu. Při rozchodu těchto řetězců získala RNA zakončená písmenem mnm5U další aminokyselinu.
Obě aminokyseliny se propojily a vytvořily základ pro delší řetězec. Carell a spol. tak donutili molekuly RNA opatřené exotickými písmeny genetického kódu k vytvoření řetězce patnácti aminokyselin.
Ke vzniku bílkovin současných pozemských organismů, jež jsou obvykle tvořeny řetězci ze stovek aminokyselin, to nestačí. Vědci však odhalili princip, jakým mohly vznikat základy budoucích bílkovin bez ribozomů.
Experiment Carellova týmu přispěl i k řešení problému stability kyseliny ribonukleové ve světě RNA. Když dva řetězce RNA s exotickými písmeny vytvoří dvojitou šroubovici a následně sdílejí navázanou aminokyselinu, nabude celý komplex na stabilitě.
„Při vzniku života si krátké řetězce aminokyselin a molekuly RNA vzájemně pomáhaly. RNA napomáhala ke vzniku řetězců aminokyselin a ty zase stabilizovaly RNA,“komentuje výsledky Claudia Bonfiová z univerzity ve Štrasburku. „Mohly tak vznikat rozličné RNA a řetězce aminokyselin a z jejich kombinací mohly povstat velmi složité chemické procesy nutné pro vznik života.“
Ke vzniku bílkovin současných organismů, tvořených stovkami aminokyselin, to nestačí. Vědci však odhalili princip.