"Moneisiin elämän alkuperää koskeviin kysymyksiin on vastattu, mutta paljon on vielä tutkimatta", sanoi Stanley Miller ja Harold Urey jo vuonna 1959 raportoituaan aminohappojen synteesin laboratoriossa primitiivisissä maan olosuhteissa. Monet edistysaskeleet linjalla, mutta tiedemiehet ovat pitkään kamppailleet perustavanlaatuisen kysymyksen kanssa - mikä geneettinen materiaali muodostui ensimmäisenä primitiivisellä maapallolla, DNA or RNAtai vähän molempia? Nyt on todisteita, jotka viittaavat siihen DNA ja RNA molemmat ovat saattaneet esiintyä rinnakkain alkukeitossa, josta elämänmuodot ovat saattaneet kehittyä vastaavien geneettisten materiaalien kanssa.
Molekyylibiologian keskeinen dogma sanoo, että DNA tekee RNA tekee proteiinit. Proteiinit ovat vastuussa suurimmasta osasta, elleivät kaikista, organismissa tapahtuvista reaktioista. Organismin koko toiminnallisuus riippuu suuresti niiden läsnäolosta ja vuorovaikutuksesta proteiini molekyylejä. Keskeisen dogman mukaan proteiinit tuotetaan sisällön sisältämien tietojen perusteella DNA joka muunnetaan toimivaksi proteiini RNA-nimisen lähettimen kautta. On kuitenkin mahdollista, että proteiinit voivat selviytyä itsenäisesti ilman mitään DNA or RNA, kuten prionien tapauksessa (väärin taitettuna proteiini molekyylejä, jotka eivät sisällä DNA or RNA), mutta voivat selviytyä omillaan.
Siten elämän syntymiselle voi olla kolme skenaariota.
A) Jos proteiinit tai sen rakennuspalikoita pystyivät muodostumaan abioottisesti ilmakehän aikana, joka oli olemassa miljardeja vuosia sitten alkukeitossa, proteiinit voidaan kutsua perustaksi elämän alkuperä. Kokeellinen näyttö sen puolesta on peräisin Stanley Millerin kuuluisasta kokeesta1, 2, joka osoitti, että kun metaanin, ammoniakin, veden ja vedyn seos sekoitetaan yhteen ja kierrätetään sähköpurkauksen ohi, muodostuu aminohappojen seos. Tämä vahvistettiin jälleen seitsemän vuotta myöhemmin3 Stanley Miller ja Harold Urey totesivat vuonna 1959, että pelkistävän ilmakehän esiintyminen ikivanhassa maassa johti synteesiin orgaaninen yhdisteet edellä mainittujen kaasujen sekä pienempien määrien hiilimonoksidia ja hiilidioksidia läsnä ollessa. Tieteellinen veljeskunta kyseenalaisti Miller-Ureyn kokeiden merkityksellisyyden useiden vuosien ajan, koska heidän mielestään heidän tutkimuksessaan käytetty kaasuseos oli liian pelkistävä verrattuna alkumaapallon olosuhteisiin. Useat teoriat osoittivat neutraalia ilmakehää, joka sisältää ylimäärän CO2:ta N2:n ja vesihöyryn kanssa4. Neutraali ilmakehä on kuitenkin tunnistettu myös uskottavaksi ympäristöksi aminohappojen synteesille5. Lisäksi, varten proteiinit toimiakseen elämän alkulähteinä, heidän on toistettava itsensä, mikä johtaa erilaisten yhdistelmään proteiinit huolehtia erilaisista organismissa tapahtuvista reaktioista.
B) Jos alkukeitto tarjosi edellytykset rakennuspalikoiden rakentamiselle DNA ja / tai RNA muodostuvaksi, jompikumpi näistä olisi voinut olla geneettinen materiaali. Tutkimus tähän asti suosi RNA olla geneettinen materiaali elämänmuotojen syntymiselle, koska ne pystyvät laskostumaan itseensä, olemassa yhtenä säietenä ja toimimaan entsyyminä6, joka pystyy tekemään enemmän RNA molekyylejä. Useita itsestään replikoituvia RNA-entsyymejä7 on löydetty vuosien varrella, mikä viittaa siihen RNA olla geneettinen lähtöaine. Tätä vahvisti entisestään John Sutherlandin ryhmän tekemä tutkimus, joka johti kahden RNA:n emäksen muodostumiseen alkukeittoa muistuttavassa ympäristössä lisäämällä seokseen fosfaattia.8. RNA-rakennuspalikoiden muodostuminen on myös osoitettu simuloimalla pelkistävää ilmakehää (sisältää ammoniakkia, hiilimonoksidia ja vettä), joka on samanlainen kuin Miller-Ureyn kokeessa, ja sitten ohjaamalla niiden läpi sähköpurkauksia ja suuritehoisia lasereita.9. Jos RNA:n uskotaan olevan alkulähde, niin milloin ja miten se teki DNA ja proteiinit syntyy? Teki DNA kehittyä geneettiseksi materiaaliksi myöhemmin, koska RNA:n ja proteiinien epävakaa luonne seurasi perässä. Vastaukset kaikkiin näihin kysymyksiin ovat edelleen vaille vastausta.
C) Kolmas skenaario, jonka mukaan DNA ja RNA voivat esiintyä rinnakkain alkukeitossa, joka johti elämän syntymiseen, tuli 3.rd Kesäkuussa 2020 John Sutherlandin ryhmä MRC-laboratoriosta Cambridgessa, Isossa-Britanniassa. Tutkijat simuloivat olosuhteita, jotka vallitsivat ikivanhalla maapallolla miljardeja vuosia sitten, laboratorion matalilla lampeilla. Ne liuottivat ensin muodostuvat kemikaalit RNA vedessä, minkä jälkeen ne kuivataan ja kuumennetaan ja sitten ne altistetaan UV-säteilylle, joka simuloi auringon säteitä ikiaikaisessa ajassa. Tämä ei johtanut vain kahden rakennuspalikan synteesiin RNA mutta myös DNA, mikä viittaa siihen, että molemmat nukleiinihapot olivat olemassa rinnakkain elämän syntyhetkellä10.
Nykyisen tiedon perusteella ja kunnioittaen molekyylibiologian keskeistä dogmaa, vaikuttaa uskottavalta, että DNA ja RNA olivat rinnakkain, mikä johti elämän syntymiseen ja proteiinin muodostumiseen tuli/tapahtui myöhemmin.
Kirjoittaja haluaa kuitenkin spekuloida toista skenaariota, jossa kaikki kolme tärkeää biologista makromolekyyliä, ts. DNA, RNA ja proteiini olivat yhdessä alkukeitossa. Alkukeitossa vallinneet sotkuiset olosuhteet, joihin liittyi maan pinnan kemiallinen luonne, tulivuorenpurkaukset ja kaasujen, kuten ammoniakin, metaanin, hiilimonoksidin, hiilidioksidin ja veden läsnäolo, ovat saattaneet olla ihanteellisia kaikille muodostuville makromolekyyleille. Vihjeen tästä on antanut Ferus et al.:n tekemä tutkimus, jossa nukleoemäksiä muodostui samassa pelkistävässä ilmakehässä9 Käytettiin Miller-Ureyn kokeessa. Jos uskomme tähän hypoteesiin, niin evoluution aikana eri organismit omaksuivat yhden tai toisen geneettisen materiaalin, joka suosi niiden olemassaoloa eteenpäin.
Kuitenkin, kun yritämme ymmärtää elämänmuotojen alkuperää, tarvitaan paljon lisätutkimusta, jotta voidaan vastata perustavanlaatuisiin ja olennaisiin kysymyksiin elämän syntyä ja leviämistä koskeviin kysymyksiin. Tämä vaatisi "out-of-the-box" -lähestymistapaa ilman, että luottaisimme ennakkoluuloihin, joita tieteen nykyiset dogmit tuovat ajatteluumme.
***
Viitteet:
1. Miller S., 1953. Aminohappojen tuotanto mahdollisissa primitiivisissä maan olosuhteissa. Tiede. 15. toukokuuta 1953: Voi. 117, Issue 3046, s. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotic Soup – Revisiting the Miller Experiment. Science 02. toukokuuta 2003: Voi. 300, Issue 5620, s. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL ja Urey HC, 1959. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Science 31. heinäkuuta 1959: Voi. 130, numero 3370, s. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Ilmakehän koostumus ja ilmasto varhaisessa maapallossa. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733-1741 (2006). Julkaistu: 07. syyskuuta 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Prebioottisen orgaanisen synteesin uudelleenarviointi neutraaleissa planeetan ilmakehissä. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Välissä oleva sekvenssi RNA Tetrahymena on entsyymi. Science 31. tammikuuta 1986: Voi. 231, Issue 4737, s. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J, et ai. 2011. Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. Tiede 08. huhtikuuta: Voi. 332, numero 6026, s. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Aktivoitujen pyrimidiiniribonukleotidien synteesi prebioottisesti uskottavissa olosuhteissa. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Nukleoemästen muodostuminen Miller-Urey-pelkistävässä ilmakehässä. PNAS 25. huhtikuuta 2017 114 (17) 4306-4311; julkaistu ensimmäisen kerran 10. huhtikuuta 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et ai. 2020 RNA:n pyrimidiinin selektiivinen prebioottinen muodostuminen ja DNA puriininukleosidit. Nature 582, 60–66 (2020). Julkaistu: 03. kesäkuuta 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
