همانطور که می دانیم زندگی ما مبتنی بر شبکه پیچیده ای از فعل و انفعالات است که در مقیاس های میکروسکوپی در سلول های بیولوژیکی اتفاق می افتد و هزاران گونه مولکولی مجزا را درگیر می کند. در بدن ما ، هر روز یک فرآیند اساسی بارها تکرار می شود. در عملیاتی که به تکثیر معروف است ، پروتئین ها قبل از توزیع آنها به طور مساوی در دو سلول ،اطلاعات ژنتیکی رمزگذاری شده در مولکول های DNA ذخیره شده در هسته سلول را کپی می کنند – . سپس اطلاعات به صورت انتخابی در آنچه مولکولهای RNA پیام رسان (mRNA) نامیده می شوند ، کپی شده و سنتز بسیاری از پروتئینهای مختلف مورد نیاز سلول مورد نظر ، هدایت می کنند. نوع دوم RNA – انتقال RNA (tRNA) – نقش اصلی در “ترجمه” mRNA ها به پروتئین ها دارد. RNA های انتقال دهنده به عنوان واسطه بین mRNA ها و پروتئین ها عمل می کنند: آنها اطمینان حاصل می کنند که زیر واحد های اسید آمینه که هر پروتئین خاصی از آنها تشکیل شده است ، در توالی مشخص شده توسط mRNA مربوطه با هم قرار می گیرند.
چگونه می توان چنین تعامل پیچیده ای بین تکثیر DNA و ترجمه mRNA ها به پروتئین ها هنگام تکامل سیستم های زنده در اوایل خلقت زمین ایجاد کرد؟ در اینجا ضرب المثلی قدیمی از مسئله مرغ و تخم مرغ داریم: پروتئین ها برای رونویسی اطلاعات ژنتیکی مورد نیاز هستند ، اما سنتز آنها به رونویسی بستگی دارد.
اکنون فیزیکدانان LMU به رهبری پروفسور دیتر براون نشان داده اند که چگونه می توان این معما را حل کرد. آنها نشان داده اند که تغییرات جزئی در ساختار مولکولهای tRNA مدرن به آنها اجازه می دهد تا به طور مستقل با یکدیگر برهم کنش کنند و نوعی ماژول همانند سازی را تشکیل دهند ، که توانایی تکثیر تصاعدی اطلاعات را دارد. این یافته حاکی از آن است که tRNA ها – واسطه های اصلی بین رونویسی و ترجمه در سلول های مدرن – همچنین توانایی پیوند حیاتی بین تکثیر و ترجمه در سیستم های زنده اولیه باشند. بنابراین می تواند یک راه حل شسته و رفته برای این سوال که کدام یک از آنها مطرح شد باشد: اطلاعات ژنتیکی یا پروتئین ها؟
به طرز شگفت انگیزی ، از نظر توالی و ساختار کلی ، tRNA ها در هر سه حوزه زندگی بسیار محافظت می شوند ، یعنی آرکیا و باکتریهای تک سلولی (که فاقد هسته سلول هستند) و یوکاریوتا (ارگانیسم هایی که سلولهای آنها دارای یک هسته واقعی است). این واقعیت به خودی خود نشان می دهد که tRNA ها از قدیمی ترین مولکول های زیست کره زمین هستند.
مانند مراحل بعدی تکامل زندگی ، تکامل تکثیر و ترجمه – و رابطه پیچیده بین آنها – نتیجه یک گام واحد نبوده است. دیتر براون می گوید: “پدیده های اساسی مانند تکثیر خودکار ، تجزیه و تحلیل خودکار ، خود سازماندهی و تقسیم بندی احتمالاً نقش مهمی در این تحولات داشته اند.” و از یک نقطه نظرکلی تر ، چنین فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی کاملاً به در دسترس بودن محیط هایی بستگی دارد که شرایط غیر تعادلی را فراهم می کنند.”
براون و همکارانش در آزمایشات خود از مجموعه رشته های DNA متقابل مکمل استفاده کردند که از شکل مشخص tRNA های مدرن الگو گرفته شده است. هر یک آنها، از دو پایه مو تشکیل شده بود (به این دلیل که هر رشته می تواند تا حدی با خودش جفت شود و یک ساختار حلقه ای کشیده ایجاد کند) ، که با یک توالی اطلاعاتی در وسط از هم جدا شده اند. هشت رشته از این طریق می توانند از طریق جفت سازی پایه مکمل با یکدیگر تعامل کنند و یک مجموعه را تشکیل دهند. بسته به الگوی جفت سازی که توسط مناطق مرکزی اطلاعات دیکته شده است ، این مجموعه قادر به رمزگذاری یک کد باینری ۴ رقمی بود.
هر آزمایش با الگویی آغاز شد – یک ساختار اطلاعاتی متشکل از دو نوع توالی اطلاعاتی مرکزی که توالی دودویی را تعریف می کنند. این توالی فرم مولکول مکمل را تعیین می کند که می تواند با آن در مخزن رشته های موجود تعامل داشته باشد. محققان ادامه دادند که با استفاده از یک توالی تکرار از نوسانات دما بین گرمی و سردی ، می توان ساختار باینری الگو را بارها و بارها کپی و آن را تقویت کرد. براون می گوید: “بنابراین می توان تصور کرد که چنین مکانیزم تکثیر می تواند در میکروسیستم هیدروترمال در اوایل تشکیل زمین انجام شود.” به طور خاص ، محلول های آبی محبوس در سنگ های متخلخل در کف دریا می توانند محیط مطلوبی را برای چنین چرخه های واکنش فراهم کنند ، زیرا مشخص است که نوسانات دمای طبیعی ، تولید شده توسط جریان های همرفت ، در چنین محیطهایی اتفاق می افتد.
در طی فرآیند کپی، رشته‌های مکمل (کشیده‌شده از حوضچه مولکول‌ها)با بخش اطلاعاتی رشته‌های الگو برداری می‌شوند. تا ستون فقرات پایدار ایجاد شود که نوسانات دما همچنان روند تقویت آن ها را به عهده دارد. اگر درجه حرارت برای مدت کوتاهی افزایش یابد ، رشته های الگو از همانند سازی تازه تشکیل شده، جدا شده و سپس هر دو می توانند به عنوان رشته های الگو در دور بعدی همانند سازی عمل کنند.
این تیم توانست نشان دهد که این سیستم قادر به همانند سازی نمایی است. این یک یافته مهم است ، زیرا نشان می دهد که مکانیزم تکثیر به دلیل انباشت خطاها به ویژه در برابر فروپاشی مقاوم است. این واقعیت که ساختار پیچیده همانند ساز شبیه tRNA های مدرن است ، حاکی از آن است که اشکال اولیه tRNA می توانستند در فرایندهای همانند سازی مولکولی شرکت کنند ، قبل از اینکه مولکول های tRNA نقش مدرن خود را در ترجمه توالی های RNA پیام رسان به پروتئین ها بازی کنند. الکساندر کوه لاین می گوید: “این ارتباط بین نسخه برداری و ترجمه در یک سناریوی اولیه می تواند راه حلی برای مسئله مرغ و تخم مرغ باشد.” همچنین می تواند شکل مشخصی از proto-tRNA ها را در نظر گرفته و نقش tRNA ها را قبل از استفاده مشترک برای ترجمه روشن کند.
تحقیقات آزمایشگاهی در مورد منشأ زندگی و ظهور تکامل داروینی در سطح پلیمرهای شیمیایی نیز پیامدهایی برای آینده بیوتکنولوژی دارد. براون نتیجه گیری می کند: “تحقیقات ما در مورد اشکال اولیه همانندسازی مولکولی و کشف ارتباط بین تکثیر و ترجمه ، ما را یک گام به بازسازی مبدا حیات نزدیک می کند.”
