قد يكون شريط الحمض النووي الريبوزي (RNA) الذي يمكنه التكاثر الذاتي تقريبًا هو المفتاح لأصول الحياة

وفقًا لفرضية عالم الحمض النووي الريبي (RNA)، بدأت الحياة عندما طورت جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) القدرة على صنع المزيد من النسخ من نفسها. لقد اكتشفنا الآن جزيء RNA قادر تقريبًا على القيام بذلك، حيث يمكنه تنفيذ الخطوات الرئيسية المعنية، ولكن ليس كلها مرة واحدة.

يقول فيليب هوليجر، من مختبر MRC للبيولوجيا الجزيئية في كامبريدج بالمملكة المتحدة: “لقد كان مسعى طويلًا للوصول إلى النقطة التي يمكنك عندها إقناع نفسك بأن الحمض النووي الريبوزي (RNA) لديه القدرة على تكوين نفسه في ظل الظروف المناسبة. وأعتقد أن هذا يوضح أن ذلك ممكن”.

في الخلايا الحية، تقوم البروتينات بمهام رئيسية مثل تحفيز التفاعلات الكيميائية، ويتم تخزين وصفات صنعها في جزيئات الحمض النووي المزدوجة الشريطة. الحمض النووي الريبوزي (RNA) هو ابن عم كيميائي للحمض النووي (DNA) والذي يوجد عادة في شكل خيوط مفردة.

إنه ليس جيدًا لتخزين المعلومات مثل الحمض النووي لأنه أقل استقرارًا، لكنه يمكنه القيام بشيء لا يستطيع الحمض النووي القيام به: طيه لتكوين إنزيمات شبيهة بالبروتين يمكنها تحفيز التفاعلات الكيميائية. نظرًا لأن الحمض النووي الريبوزي (RNA) يمكنه تخزين المعلومات والعمل كمحفز، فقد اقترح في وقت مبكر من ستينيات القرن العشرين أن الحياة ربما بدأت مع جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) القادرة على تحفيز تكوينها.

ولكن ثبت أن العثور على مثل هذه الجزيئات أمر صعب للغاية. لقد افترض الباحثون منذ فترة طويلة أن RNAs ذاتية التكاثر يجب أن تكون كبيرة ومعقدة نسبيًا، ولكن تبين أنه من الصعب جدًا نشر RNAs كبيرة الحجم لتكرارها.

علاوة على ذلك، في حين أنه قد ثبت أن جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) القصيرة نسبيًا يمكن أن تتشكل تلقائيًا في الظروف المناسبة، فمن غير المرجح أن تكون الجزيئات الكبيرة قد فعلت ذلك.

يقول هوليجر: “لقد قادنا هذا إلى التفكير، حسنًا، ربما نكون مخطئين. ربما يمكن لشيء بسيط، شيء صغير، أن ينفذ هذه العملية”. “وهكذا ذهبنا للبحث، ووجدنا واحدة.”

تتكون RNAs من وحدات بناء تسمى النيوكليوتيدات. بدأ الفريق بتوليد تريليون تسلسل عشوائي يبلغ طوله 20 أو 30 أو 40 نيوكليوتيدًا. ومن بين هذه العناصر، اختاروا ثلاثة يمكنها تنفيذ تفاعلات، مثل ضم النيوكليوتيدات معًا. تم ضم الثلاثة معًا وإخضاعهم لعدة جولات من التطور – تغيير أو تحوير أجزاء من التسلسل بشكل عشوائي واختيار المتغيرات ذات الأداء الأفضل.

ويبلغ طول الجزيء الناتج، المسمى QT45، 45 نيوكليوتيدًا فقط. في المياه القلوية التي تكون درجة حرارتها أعلى من درجة التجمد مباشرة، يمكنها استخدام الحمض النووي الريبوزي (RNA) المفرد كقالب لصنع خيوط تكميلية من خلال ضم خيوط قصيرة من اثنين أو ثلاثة نيوكليوتيدات معًا، بما في ذلك صنع تسلسل مكمل لتسلسلها الخاص. يقول هوليجر: “إنها حاليًا بطيئة جدًا ومنخفضة العائد، لكن هذا ليس مفاجئًا”.

يمكن لـ QT45 أيضًا عمل نسخ أكثر من نفسه من تلك الخيوط التكميلية. يقول هوليجر: “هذه، لأول مرة، قطعة من الحمض النووي الريبوزي (RNA) يمكنها أن تصنع نفسها وشريطها المشفر، وهذان هما التفاعلان الأساسيان للتكاثر الذاتي”. لكن حتى الآن، لم يتمكن الفريق من تحقيق كلا التفاعلين في نفس الحاوية. تتمثل الخطة الآن في تطوير الجزيء بشكل أكبر وتجربة ظروف مثل دورات التجميد والذوبان لمعرفة ما إذا كان من الممكن حدوث كلا التفاعلين في وقت واحد.

يقول هوليجر: “الأمر الأكثر إثارة هو أنه بمجرد أن يبدأ النظام في التكاثر الذاتي، فإنه يجب أن يصبح مُحسّنًا ذاتيًا”. وذلك لأن العملية المليئة بالأخطاء ستنتج الكثير من الاختلافات، وقد يعمل عدد قليل منها بشكل أفضل، مما يؤدي إلى إنتاج المزيد من التغييرات، وما إلى ذلك.

تقول سابين مولر من جامعة جرايفسفالد في ألمانيا: “تعد النتائج الجديدة من مختبر هوليجر استثنائية وتقدمًا كبيرًا، مما يدفع الأمور أقرب إلى الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يتكاثر ذاتيًا بشكل كامل”.

يقول زاكاري آدم من جامعة ويسكونسن ماديسون: “ربما يكون الجانب الأكثر أهمية في هذه النتيجة هو اكتشاف تسلسل قليل الحجم من الحمض النووي الريبوزي (RNA) قليل الحجم يتمتع بقدرات التوليف الذاتي هذه”.

ويشير آدم إلى أن عدد تسلسلات الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي يبلغ طولها 45 نيوكليوتيدًا وحده هو “كبير بشكل لا يمكن تصوره”، لذا قام الفريق بعمل جيد للعثور على QT45 من نقطة بداية مكونة من تريليون تسلسل عشوائي فقط.

في بداية الأرض، ربما كانت الجزيئات المشابهة لـ QT45 قادرة على التكاثر ذاتيًا في بيئة تشبه إلى حد ما أيسلندا الحديثة، كما يقول هوليجر، مع وجود الجليد، ولكن أيضًا النشاط الحراري المائي لدفع دورات التجميد والذوبان وإنشاء تدرجات الأس الهيدروجيني. ويعتقد أنه ستكون هناك حاجة إلى نوع من التقسيم لعزل المكونات الرئيسية، ولكن هناك العديد من الطرق التي يمكن أن يحدث بها ذلك، بدءًا من جيوب المياه الذائبة في الجليد إلى الحويصلات الشبيهة بالخلايا التي تتشكل تلقائيًا من الأحماض الدهنية.