'Několik otázek o původu života bylo zodpovězeno, ale mnohé zbývá ještě prostudovat'' řekli Stanley Miller a Harold Urey v roce 1959 poté, co ohlásili laboratorní syntézu aminokyselin v primitivních pozemských podmínkách. Mnoho pokroků v této linii, ale vědci se již dlouho potýkají se základní otázkou – jaký genetický materiál byl poprvé vytvořen na primitivní Zemi? DNA or RNA, nebo trochu obojího? Nyní existují důkazy, které tomu nasvědčují DNA a RNA obě mohly koexistovat v prvotní polévce, odkud se formy života mohly vyvinout s příslušnými genetickými materiály.
Ústřední dogma molekulární biologie říká, že DNA činí RNA činí Proteinů. Proteiny jsou zodpovědné za většinu, ne-li všechny reakce probíhající v organismu. Celá funkčnost organismu je do značné míry závislá na jejich přítomnosti a vzájemném působení protein molekul. Podle centrálního dogmatu Proteinů jsou vytvářeny informacemi obsaženými v DNA který je převeden na funkční protein prostřednictvím posla zvaného RNA. Je však možné, že Proteinů sami mohou přežít nezávisle bez jakýchkoli DNA or RNA, jako je tomu u prionů (chybně složených protein molekuly, které neobsahují DNA or RNA), ale mohou přežít sami.
Mohou tedy existovat tři scénáře vzniku života.
A) Pokud Proteinů nebo jeho stavební kameny byly schopny abioticky vzniknout v atmosféře, která existovala před miliardami let v prvotní polévce, Proteinů lze označit za základ původ života. Experimentální důkaz v jeho prospěch pochází ze slavného experimentu Stanleyho Millera1, 2, který ukázal, že když se směs metanu, čpavku, vody a vodíku smísí a cirkuluje kolem elektrického výboje, vytvoří se směs aminokyselin. To se znovu potvrdilo o sedm let později3 v roce 1959 Stanley Miller a Harold Urey uvedli, že přítomnost redukující atmosféry v primordiální Zemi dala podnět k syntéze organický sloučeniny v přítomnosti výše uvedených plynů plus menší množství oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého. Relevance Miller-Ureyho experimentů byla řadu let zpochybňována vědeckým bratrstvem, který se domníval, že směs plynů používaná při jejich výzkumu je příliš redukční s ohledem na podmínky, které existovaly na prvotní Zemi. Řada teorií směřovala k neutrální atmosféře obsahující přebytek CO2 s N2 a vodní páru4. Neutrální atmosféra však byla také identifikována jako přijatelné prostředí pro syntézu aminokyselin5. Navíc pro Proteinů aby fungovaly jako počátky života, potřebují sebereplikaci vedoucí ke kombinaci různých Proteinů uspokojit různé reakce probíhající v organismu.
B) Pokud prvotní polévka poskytovala podmínky pro stavební kameny DNA a / nebo RNA aby se vytvořil, pak by genetickým materiálem mohl být kterýkoli z nich. Výzkum až dosud favorizoval RNA být genetickým materiálem pro vznik životních forem díky jejich schopnosti skládat se do sebe, existovat jako jeden řetězec a působit jako enzym6, schopný udělat víc RNA molekul. Řada samoreplikujících RNA enzymů7 byly objeveny v průběhu let, což naznačuje RNA být výchozím genetickým materiálem. To bylo dále posíleno výzkumem provedeným skupinou Johna Sutherlanda, který vedl k vytvoření dvou bází RNA v prostředí podobném prvotní polévce tím, že do směsi přidal fosfát.8. Tvorba stavebních bloků RNA byla také prokázána simulací redukční atmosféry (obsahující čpavek, oxid uhelnatý a vodu), podobnou té, která se použila v Miller-Ureyho experimentu, a poté průchodem elektrických výbojů a vysoce výkonných laserů skrz ně.9. Pokud má být RNA považována za původce, pak kdy a jak se to stalo DNA a vznikají bílkoviny? Dělal DNA se vyvinou jako genetický materiál později kvůli nestabilní povaze RNA a následných proteinů. Odpovědi na všechny tyto otázky stále zůstávají nezodpovězeny.
C) Třetí scénář, že DNA a RNA mohou koexistovat v prvotní polévce, která vedla ke vzniku života, pochází ze studií publikovaných dne 3.rd června 2020 skupinou Johna Sutherlanda z MRC Laboratory v Cambridge ve Velké Británii. Vědci simulovali podmínky, které existovaly na prvotní Zemi před miliardami let, s mělkými jezírky v laboratoři. Nejprve rozpustili chemikálie, které se tvoří RNA ve vodě s následným vysušením a zahřátím a poté vystavením UV záření, které simulovalo sluneční paprsky existující v prvotní době. To vedlo nejen k syntéze dvou stavebních kamenů RNA ale také DNA, což naznačuje, že obě nukleové kyseliny koexistovaly v době vzniku života10.
Na základě současných znalostí, které existují dnes a ctí centrální dogma molekulární biologie, se zdá pravděpodobné, že DNA a RNA koexistovaly, což vedlo ke vzniku života a tvorba proteinů přišla/nastala později.
Autor si však přeje spekulovat o jiném scénáři, kdy všechny tři důležité biologické makromolekuly, tj. DNA, RNA a protein existovaly společně v prvotní polévce. Nepořádné podmínky, které existovaly v primordiální polévce zahrnující chemickou povahu zemského povrchu, sopečné erupce a přítomnost plynů, jako je čpavek, metan, oxid uhelnatý, oxid uhličitý spolu s vodou, mohly být ideální pro všechny makromolekuly, které se měly vytvořit. Náznak toho poskytl výzkum Feruse et al., kde se ve stejné redukční atmosféře vytvořily nukleobáze.9 použitý v Miller-Ureyho experimentu. Máme-li této hypotéze věřit, pak v průběhu evoluce různé organismy přijaly jeden nebo druhý genetický materiál, což podporovalo jejich existenci.
Když se však snažíme porozumět původu forem života, je zapotřebí mnohem dalšího výzkumu, abychom odpověděli na základní a relevantní otázky o tom, jak život vznikl a jak se šířil. To by vyžadovalo „out-of-the-box“ přístup bez spoléhání se na jakékoli předsudky zavedené do našeho myšlení současnými dogmaty sledovanými ve vědě.
***
Reference:
1. Miller S., 1953. A Production of Amino Acids under Possible Primitive Earth Conditions. Věda. 15. května 1953: Sv. 117, vydání 3046, s. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotická polévka – Revisiting the Miller Experiment. Věda 02. května 2003: Vol. 300, vydání 5620, s. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL a Urey HC, 1959. Syntéza organických sloučenin na primitivní Zemi. Věda 31. července 1959: Sv. 130, číslo 3370, s. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Složení atmosféry a klima na rané Zemi. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361: 1733–1741 (2006). Publikováno: 07. září 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Přehodnocení prebiotické organické syntézy v neutrálních planetárních atmosférách. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Čech TR. 1986. Mezilehlá sekvence RNA Tetrahymena je enzym. Věda 31. ledna 1986: Sv. 231, vydání 4737, s. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Ribozymově katalyzovaná transkripce aktivního ribozymu. Věda 08. dubna: Sv. 332, číslo 6026, s. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Syntéza aktivovaných pyrimidinových ribonukleotidů za prebioticky přijatelných podmínek. Příroda 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Tvorba nukleobází v Miller-Ureyově redukční atmosféře. PNAS 25. dubna 2017 114 (17) 4306-4311; poprvé publikováno 10. dubna 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selektivní prebiotická tvorba RNA pyrimidinu a DNA purinové nukleosidy. Příroda 582, 60–66 (2020). Publikováno: 03. června 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
