کشف یک مولکول کوچک RNA خودتکثیرشونده چگونه قوانین پیدایش حیات را بازنویسی می‌کند

پیدایش حیات اغلب به عنوان یک پارادوکس مطرح می‌شود. زیست‌شناسی مدرن بر یک تقسیم کار سخت و غیرقابل مذاکره متکی است: DNA نقشه‌های ژنتیکی را ذخیره می‌کند، اما برای خواندن آن نقشه‌ها و ساخت ماشین‌آلات سلولی، به پروتئین‌ها نیاز است. اگر برای ساخت پروتئین‌ها به DNA نیاز دارید و برای ساخت DNA به پروتئین‌ها، پس کدام یک اول به وجود آمده است؟ برای دهه‌ها، این معمای «مرغ و تخم‌مرغ» غیرقابل حل به نظر می‌رسید و یک خلأ نظری بزرگ بین شیمی غیرزنده و اولین سلول‌های زنده باقی می‌گذاشت.

پاسخ، بر اساس اجماع غالب در زیست‌شناسی تکاملی، هیچ‌کدام از این دو نیست. پیش از ظهور دنیای پیچیده و تخصصی DNA و پروتئین‌ها، زمین احتمالاً تحت سلطه یک مولکول واحد و همه‌کاره بوده که می‌توانست هر دو وظیفه را به طور همزمان انجام دهد: اسید ریبونوکلئیک یا RNA.

این مفهوم، که به فرضیه جهان RNA معروف است، نشان می‌دهد که اولین اشکال حیات اساساً مولکول‌های RNA خودکپی‌کننده بوده‌اند. از آنجایی که RNA می‌تواند اطلاعات ژنتیکی را مانند DNA ذخیره کند و واکنش‌های شیمیایی را مانند یک پروتئین کاتالیز کند، یک پل نظری منظم بین شیمی خام سوپ اولیه و طلوع تکامل داروین فراهم می‌کند.[4]

اما پل‌های نظری نیازمند اثبات تجربی هستند. برای اینکه فرضیه جهان RNA معتبر باشد، دانشمندان باید نشان دهند که یک مولکول RNA واقعاً می‌تواند خود را کپی کند—یا حداقل مولکول‌های RNA دیگر را—بدون کمک آنزیم‌های پروتئینی مدرن. این امر مدت‌هاست که جام مقدس تحقیقات پیدایش حیات (آبیوژنز) بوده و سال‌ها به شکلی ناامیدکننده دور از دسترس باقی مانده بود.

پیشرفت‌های اخیر محققان را بیش از هر زمان دیگری به این هدف نزدیک کرده است. در یک مطالعه برجسته که در نشریه «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم» (Proceedings of the National Academy of Sciences) منتشر شد، محققان از تکامل هدایت‌شده برای مهندسی یک ریبوزیم RNA پلیمراز—یک آنزیم RNA که قادر به کپی کردن رشته‌های RNA دیگر است—استفاده کردند.[1]

محققان کار خود را با یک آنزیم RNA پایه آغاز کردند و آن را در معرض دورهای مکرر تکثیر و انتخاب در آزمایشگاه قرار دادند. با گذشت زمان، آنها فشار انتخابی فزاینده‌ای اعمال کردند و RNA را مجبور کردند تا در کپی کردن یک مولکول هدف به نام ریبوزیم «چکش‌سر» (hammerhead)، که خود عملکرد خاصی در شکافتن RNA دارد، کارآمدتر و دقیق‌تر شود.

نتایج بی‌سابقه بود. پلیمراز تکامل یافته در آزمایشگاه نه تنها قادر به ساخت نسخه‌های دقیق از RNA چکش‌سر عملکردی بود، بلکه این کار را با دقت کافی انجام داد تا امکان ظهور و تسلط گونه‌های جدید و مناسب‌تر چکش‌سر در جمعیت فراهم شود. برای اولین بار، دانشمندان شاهد تکامل داروین کاتالیز شده توسط RNA در یک لوله آزمایش بودند.[1]

این یک گام بسیار بزرگ است. این امر ثابت می‌کند که RNA می‌تواند، در اصل، فرآیند تکاملی را کاملاً به تنهایی پیش ببرد. اطلاعات وراثتی ریبوزیم چکش‌سر از نسلی به نسل دیگر منتقل شد، با جهش‌هایی که تنوع ایجاد کردند و سپس برای بهبود عملکرد انتخاب شدند، و این فرآیند کاملاً مستقل از DNA یا پروتئین‌ها بود.

با این حال، فرضیه جهان RNA همچنان با موانع مهمی روبرو است. چالش فوری‌تر، آستانه «فاجعه خطا» (error catastrophe) است. در حالی که پلیمراز تکامل یافته در آزمایشگاه هنگام کپی کردن رشته‌های RNA کوتاه و ساده مانند چکش‌سر بسیار دقیق است، در حفظ این دقت هنگام کپی کردن توالی‌های طولانی‌تر و پیچیده‌تر دچار مشکل می‌شود.

برای دستیابی به حیات خودکار واقعی، یک RNA پلیمراز باید بتواند توالی خود را کپی کند. اما خود پلیمراز به طور قابل توجهی طولانی‌تر از اهداف چکش‌سری است که در حال حاضر کپی می‌کند. با نرخ جهش فعلی، تلاش برای کپی کردن توالی طولانی خودش، خطاهای بسیار زیادی را وارد می‌کند و باعث می‌شود اطلاعات عملکردی تخریب شده و کل سیستم از هم بپاشد.

این محدودیت ریاضیاتی، شکاف تکاملی دقیقی را که باید پر شود، تعریف می‌کند. محققان تخمین می‌زنند که پلیمراز فعلی تقریباً یک مرتبه بزرگی از دقت فاصله دارد تا بتواند به طور خودکار خود را تکثیر کند. پر کردن این شکاف نیازمند تکامل مکانیسم‌های جدید تصحیح خطا در ساختار RNA خواهد بود.

فراتر از مشکل دقت، منتقدان فرضیه جهان RNA به پیچیدگی محض این مولکول اشاره می‌کنند. همانطور که در بررسی‌های انتقادی به تفصیل آمده است، RNA ذاتاً ناپایدار است و سنتز آن تحت شرایط پیشازیستی محتمل دشوار است. زمین اولیه محیطی آشفته و نامنظم بود که بسیار دور از شرایط بکر و کنترل شده یک آزمایشگاه مدرن است.[2][5]

برخی محققان استدلال می‌کنند که RNA نمی‌توانسته به طور خودبه‌خودی و در انزوا پدید آمده باشد. در عوض، آنها پیشنهاد می‌کنند که جهان RNA با یک دوران «پیشا-RNA» (pre-RNA) مقدم شده است، جایی که مولکول‌های پیش‌ساز ساده‌تر یا پپتیدهای هم‌تکامل‌یافته، داربست و ثبات لازم را برای تسلط نهایی RNA فراهم کردند.

شبیه‌سازی‌های اخیر از شرایط زمین اولیه تا حدی از این ایده حمایت کرده‌اند. دانشمندان با قرار دادن بلوک‌های ساختمانی نوکلئوتیدی ساده در معرض گرما، اسید و چرخه‌های تر و خشک شدن که در حوضچه‌های زمین‌گرمایی باستانی رایج بود، توانسته‌اند مونتاژ خودبه‌خودی رشته‌های کوتاه RNA را ترغیب کنند، اگرچه تکثیر کامل همچنان دست‌نیافتنی است.[3]

ما با یک معمای جذاب اما ناقص روبرو هستیم. فرضیه جهان RNA همچنان قوی‌ترین و مورد حمایت‌ترین مدل برای پیدایش حیات باقی مانده است و پارادوکس DNA-پروتئین را به شکلی زیبا حل می‌کند. نمایش تکامل کاتالیز شده توسط RNA ثابت می‌کند که مکانیسم اصلی از نظر بیولوژیکی قابل اجرا است.

با این حال، جهش نهایی—یک مولکول RNA کاملاً خودکار و خودتکثیرشونده که از آشوب شیمی پیشازیستی پدید آید—هنوز در دسترس نیست. با بهبود تکنیک‌های آزمایشگاهی و تعمیق درک ما از محیط‌های زمین اولیه، ممکن است دهه آینده تحقیقات سرانجام از آن آستانه عبور کند و جرقه مولکولی که زیست‌شناسی را شعله‌ور ساخت، بازآفرینی شود.