شیمی ابتدایی سر منشأ حیات را توضیح می‌دهد
مطالعه‌ای جدید نشان می‌دهد شیمی ابتدایی ممکن است راز شکل‌گیری پروتئین‌ها و آغاز حیات روی زمین نخستین را روشن کند.
فرارو- دانشمندان با بررسی واکنش‌های آران‌ای و آمینواسیدها، فرآیندی را شناسایی کرده‌اند که توضیح می‌دهد چگونه پروتئین‌ها بدون نیاز به پروتئین‌های پیشین می‌توانسته‌اند شکل بگیرند و مسیر حیات را آغاز کنند.
به گزارش فرارو به نقل از واشینگتن پست، پروتئین‌ها نقشی حیاتی در زندگی ما ایفا می‌کنند: وقتی استخوانی رشد می‌کند، پروتئین‌ها ساختار آن را فراهم می‌کنند؛ وقتی عضله‌ای آسیب می‌بیند، پروتئین‌ها به بازسازی آن کمک می‌کنند و وقتی بدن با عفونت مبارزه می‌کند، اکسیژن را حمل می‌کند یا پیام‌هایی را به سلول‌ها می‌فرستد، پروتئین‌ها اغلب در خط مقدم عمل می‌کنند.
اما سؤال اساسی این است: این مولکول‌های پیچیده و ماهر چگونه برای اولین بار روی زمین شکل گرفتند و زمینه‌ی پیدایش حیات را فراهم کردند؟ این معما که بیش از پنج دهه ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود، اکنون با کمک شیمی نسبتاً ساده قابل توضیح است.
پروتئین‌ها چگونه می‌توانند شکل بگیرند
در آزمایش‌های آزمایشگاهی، دانشمندان موفق شده‌اند نشان دهند که دو عنصر اساسی زندگی، ریبونوکلئیک اسید (آران‌ای) و آمینواسیدها، چگونه می‌توانند با هم ترکیب شده و سنتز پروتئین را آغاز کنند. این مواد اولیه و شرایط مورد نیاز احتمالاً حدود ۴ میلیارد سال پیش در زمین اولیه وجود داشته‌اند و سرنخ‌هایی درباره چگونگی آغاز زندگی در زمین و حتی امکان شکل‌گیری آن در سیارات دیگر ارائه می‌دهند.
به گفته متیو پاونر، شیمیدان دانشگاه کالج لندن و یکی از نویسندگان این مطالعه، به نظر بسیار محتمل می‌آید که چنین واکنشی در زمین نخستین رخ داده باشد. آزمایشگاه پاونر به بررسی فرآیندهای شیمیایی منتهی به حیات می‌پردازد و مکانیزم‌های کلیدی موجود در تمام موجودات زنده را مطالعه می‌کند. یکی از بنیادی‌ترین این فرآیندها، نحوه‌ی ساخت پروتئین توسط سلول‌هاست، همان مولکول‌های پیچیده‌ای که مسئول رشد و بقای ما از شکل‌گیری استخوان تا حمایت سیستم ایمنی هستند.
پروتئین‌ها و آمینواسیدها
پروتئین‌ها از آمینواسیدها ساخته می‌شوند، و تصور می‌شود این آمینواسیدها قبل از پیدایش حیات نیز وجود داشته‌اند. پروتئین‌ها نمی‌توانند خودشان را تکثیر کنند و برای ساخته شدن نیاز به یک نقشه دارند؛ نقشه‌ای که توسط اسیدهای نوکلئیک مانند دی‌ان‌ای و آران‌ای ارائه می‌شود و آمینواسیدها را هدایت می‌کند تا به صورت صحیح کنار هم قرار گیرند.
در دهه ۱۹۵۰، فرانسیس کریک، همکاوشگر ساختار دی‌ان‌ای، نظریه‌ای ارائه کرد که جریان اطلاعات در زیست‌شناسی از دی‌ان‌ای به آران‌ای و سپس به پروتئین است. اما از آن زمان تاکنون، فرآیند انتقال اطلاعات از آران‌ای به پروتئین هنوز به‌طور کامل درک نشده بود. پاونر می‌گوید: «اطلاعات در دی‌ان‌ای و آران‌ای به زبانی متفاوت از اطلاعات پروتئین‌ها نوشته شده است، بنابراین باید ترجمه شوند.»
معمای مرغ و تخم‌مرغ پروتئینی
در موجودات زنده، آمینواسیدها با آران‌ای ترکیب می‌شوند تا پروتئین بسازند. اما این فرآیند ترجمه نیازمند مجموعه‌ای از آنزیم‌های پروتئینی است که خود از طریق سنتز پروتئین ساخته می‌شوند. بنابراین سؤال اصلی پیش می‌آید: چگونه بدون داشتن پروتئین، پروتئین ساخته شده است؟ پاونر می‌گوید: «ما می‌خواستیم شیمی‌ای را پیدا کنیم که آران‌ای و آمینواسید را به هم پیوند دهد و سنتز پروتئین را امکان‌پذیر کند.»
ابتدا تیم تحقیقاتی یک آمینواسید را «فعال‌سازی» کرد؛ در واقع با حذف یک مولکول آب، آمینواسید واکنش‌پذیر شد و توانست با مولکول‌های دیگر پیوند برقرار کند. اما این آمینواسید فعال‌شده نمی‌توانست مستقیماً به آران‌ای متصل شود و تیم نیاز داشت یک مولکول کمکی پیدا کند تا این اتصال ممکن شود.
نقش گروه تیول
پاونر و همکارانش با یک کلاس از ترکیبات به نام تیول‌ها آزمایش کردند؛ مولکول‌هایی که در آن گوگرد به کربن متصل است. این مولکول‌ها معمولاً به‌خاطر نقششان در تولید و تنظیم انرژی در سلول شناخته شده‌اند، نه سنتز پروتئین، اما تیم قبلاً نشان داده بود که تولید آن‌ها در شرایط اولیه زمین بسیار ساده است.
وقتی تیول به سیستم اضافه شد، ابتدا با آمینواسید فعال‌شده در آب واکنش داد و سپس به آرامی آمینواسید را به آران‌ای منتقل کرد. ترکیبات بیشتری از این نوع در سلول‌ها با هم ترکیب شده و پروتئین‌ها را شکل می‌دهند. پاونر توضیح می‌دهد: «این اتصال بسیار غیرمنتظره بود و نتیجه‌ای نبود که قصد داشتیم به دست آوریم. اما این مکانیزم عملاً نشان می‌دهد چگونه سنتز پروتئین بدون پروتئین قبلی آغاز می‌شود.»
اهمیت این کشف
پاونر می‌گوید: «اگر آمینواسیدها، مولکول‌های آران‌ای و تیول‌ها وجود داشته باشند، تقریباً اجتناب‌ناپذیر است که چنین فرآیندی رخ دهد.» آرون گلدمن، زیست‌شناس کالج اوبرلین که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید: «شواهد تکاملی نشان می‌دهد این فرآیند سنتز پروتئین، که هنوز در سلول‌های ما یافت می‌شود، قدیمی‌ترین ویژگی زیست‌شناسی مولکولی است.»
او اضافه می‌کند محققان پیش‌تر پیشنهاد کرده‌اند اتصال آمینواسیدها به آران‌ای می‌تواند مبنای شکل‌گیری نخستین کد ژنتیکی باشد. با وجود اینکه سنتز پروتئین در آغاز تاریخ حیات تکامل یافته، ما درک روشنی از فرآیندهای پیش از آن نداریم. مطالعه جدید، شیمی جذاب جدیدی را شناسایی می‌کند که روشن‌کننده یک پیش‌نیاز احتمالی برای این فرآیند حیاتی است.
مکانیزم و محیط زمین نخستین
تیم تحقیقاتی هنوز دقیقاً نمی‌داند چرا گروه تیول اجازه می‌دهد آمینواسید به آران‌ای منتقل شود. پاونر توضیح می‌دهد که به‌طور کلی، گروه گوگرد در یک نقطه واکنش‌پذیری قرار دارد که اجازه می‌دهد واکنش به آرامی و با انتخاب‌پذیری بالا با آران‌ای انجام شود.
این واکنش‌ها حدود ۴ میلیارد سال پیش می‌توانستند در استخرها یا دریاچه‌های زمین اولیه رخ دهند، اگرچه احتمالاً در اقیانوس‌ها به دلیل رقیق بودن مواد شیمیایی، کمتر ممکن بود. گلدمن تأکید می‌کند: «صرف‌نظر از صحت دقیق این فرضیه، اتصال آمینواسیدها به آران‌ای به‌نظر می‌رسد یک واکنش مهم در تکامل اولیه حیات بوده و همچنان در تمام موجودات زنده امروز نقش دارد.»
