Odhalené Salikovými učencami RNA Schopnosti, ktoré umožňujú darwinovskú evolúciu na molekulárnej úrovni a približujú výskumníkov k produkcii autonómneho života RNA v laboratóriu.

Charles Darwin opísal evolúciu ako „zostup s modifikáciou“. Genetické informácie vo forme DNA Sekvencie sa kopírujú a prenášajú z generácie na generáciu. Ale tento proces musí byť tiež do istej miery flexibilný, čo umožní, aby sa časom objavili jemné variácie v génoch a aby sa do populácie zaviedli nové črty.

Ako to však celé začalo? V počiatkoch života, dávno pred bunkami, proteínmi a DNA, mohlo dôjsť k podobnému druhu evolúcie v jednoduchšom meradle? Vedci v 60-tych rokoch, vrátane Salkovej kolegyne Leslie Orgill, navrhli, že život začal „svetom RNA“, hypotetickou érou, v ktorej malé molekuly RNA viazané na vlákna ovládali ranú Zem a vytvorili dynamiku darwinovskej evolúcie.

Hammerhead sekvencie transkribované nízko vernou polymerázou sa vzďaľujú od pôvodnej sekvencie RNA (hore) a časom strácajú svoju funkciu. Hammerheads katalyzované HD polymerázou si zachovávajú funkciu a vyvíjajú vhodnejšie sekvencie (dole). Poďakovanie: Salk Institute

Priekopnícky výskum úlohy RNA v ranom vývoji

Nový výskum v Salkovom inštitúte teraz poskytuje nový pohľad na pôvod života a poskytuje presvedčivé dôkazy podporujúce hypotézu RNA World. Štúdia publikovaná v r Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 4. marca 2024 odhaľuje enzým RNA, ktorý dokáže vytvárať presné kópie iných funkčných reťazcov RNA a zároveň umožňuje, aby sa časom objavili nové varianty molekuly. Tieto pozoruhodné schopnosti naznačujú, že prvé formy evolúcie sa mohli vyskytnúť na molekulárnej úrovni v RNA.

Výsledky tiež približujú vedcov o krok bližšie k obnoveniu života založeného na RNA v laboratóriu. Modelovaním týchto primitívnych prostredí v laboratóriu môžu vedci priamo testovať hypotézy o tom, ako začal život na Zemi alebo dokonca na iných planétach.

„Naháňame sa za úsvitom evolúcie,“ hovorí hlavný autor a prezident nadácie Salk Gerald Joyce. „Odhalením týchto nových schopností RNA odhaľujeme potenciálny pôvod života samotného a ako jednoduché molekuly mohli pripraviť cestu pre zložitosť a rozmanitosť života, ktorý dnes vidíme.“

Rozptylové grafy ukazujú vývoj populácií kladivohlavých počas viacerých kôl evolúcie. Hammerheads transkribované nízko vernou polymerázou (52-2) sa vzďaľujú od pôvodnej sekvencie RNA (biele čiary) a strácajú svoju funkciu. Hammerheads transkribované novou vysoko vernou polymerázou (71-89) si zachovávajú funkciu a postupom času sa objavujú nové funkčné sekvencie. Poďakovanie: Salk Institute

Jedinečná funkcia RNA a snaha o vernosť replikácie

Vedci môžu použiť DNA na sledovanie evolučnej histórie moderných rastlín a živočíchov až po najstaršie jednobunkové organizmy. Čo sa však stalo predtým, zostáva nejasné. Dvojvláknové špirály DNA sú skvelé na uchovávanie genetickej informácie. Mnohé z týchto génov v konečnom dôsledku kódujú proteíny, zložité molekulárne stroje, ktoré vykonávajú najrôznejšie funkcie na udržanie buniek pri živote. Čo robí RNA jedinečnou, je to, že tieto molekuly dokážu oboje. Sú vyrobené z rozšírených nukleotidových sekvencií, podobne ako DNA, ale môžu fungovať aj ako enzýmy na uľahčenie reakcií, ako napríklad proteíny. Mohla by byť teda RNA prekurzorom života, ako ho poznáme?

Vedci ako Joyce skúmali túto myšlienku už roky, s osobitným zameraním na RNA polymerázové ribozýmy – molekuly RNA, ktoré môžu vytvárať kópie iných vlákien RNA. Počas posledného desaťročia Joyce a jeho tím vyvíjali ribozýmy RNA polymerázy v laboratóriu, pričom používali formu riadenej evolúcie na výrobu nových verzií schopných replikovať väčšie molekuly. Väčšina z nich však trpí fatálnou chybou: nie sú schopní replikovať sekvencie v dostatočne vysokej miere Presnosť. Počas mnohých generácií sa do sekvencie vnesie toľko chýb, že výsledné vlákna RNA sa už nepodobajú pôvodnej sekvencii a ich funkcia sa úplne stratí.

Doteraz. Najnovší laboratórne vyvinutý ribozým RNA polymerázy obsahuje množstvo dôležitých mutácií, ktoré mu umožňujú skopírovať vlákno RNA s oveľa väčšou presnosťou.

Zľava: David Horning, Gerald Joyce a Nikolaos Papastavrou. Poďakovanie: Salk Institute

V týchto experimentoch je vláknom transkribovanej RNA „hammerhead“, malá molekula, ktorá láme iné molekuly RNA na kúsky. Výskumníci boli prekvapení, keď zistili, že ribozým RNA polymerázy nielen presne replikoval funkčné kladivá, ale postupom času sa začali objavovať nové variácie kladivových hlavíc. Tieto nové varianty fungovali podobne, ale ich mutácie uľahčili ich reprodukciu, čo zvýšilo ich evolučnú zdatnosť a nakoniec ich viedlo k tomu, že v laboratóriu dominovali populáciám kladiváka.

„Dlho sme sa čudovali, aký jednoduchý bol život na začiatku a kedy získal schopnosť začať sa zlepšovať,“ hovorí prvý autor Nikolaos Papastavrou, výskumný pracovník v Joyceovom laboratóriu. „Táto štúdia naznačuje, že úsvit evolúcie mohol byť veľmi skorý a veľmi jednoduchý. Niečo na úrovni jednotlivých molekúl mohlo poháňať darwinovskú evolúciu, a to mohla byť iskra, ktorá umožnila, aby sa život stal zložitejším a presunul sa od molekúl k bunky organizmom.“ Mnohobunkové.

Výsledky zdôrazňujú zásadný význam vernosti replikácie pri umožňovaní evolúcie. Vernosť transkripcie RNA polymerázy musí prekročiť kritickú prahovú hodnotu, aby sa zachovala dedičná informácia počas viacerých generácií, a táto prahová hodnota by sa zvýšila so zvyšujúcou sa veľkosťou a zložitosťou vyvíjajúcej sa RNA.

Budúcnosť výskumu RNA a nezávislého života

Joyceov tím obnovuje tento proces v laboratórnych skúmavkách, pričom na systém aplikuje rastúci selektívny tlak, aby produkoval lepšie výkonné polymerázy, s cieľom jedného dňa produkovať RNA polymerázu, ktorá sa dokáže replikovať. To by znamenalo začiatok autonómneho života RNA v laboratóriu, ktorý by podľa výskumníkov mohol byť dosiahnutý v priebehu budúceho desaťročia.

Vedcov tiež zaujíma, čo sa môže stať, keď malý „svet RNA“ získa väčšiu nezávislosť.

„Videli sme, že selekčný tlak môže zlepšiť RNA s existujúcou funkciou, ale ak dovolíme systému, aby sa vyvíjal dlhšie s väčšími súbormi molekúl RNA, možno vynájsť nové funkcie?“ hovorí spoluautor David Horning, vedec z Joyceho laboratória. „S nadšením odpovedáme na to, ako mohol skorý život zvýšiť zložitosť pomocou nástrojov vyvinutých tu v Salku.“

Metódy používané v Joyceovom laboratóriu tiež pripravujú pôdu pre budúce experimenty, ktoré testujú ďalšie predstavy o pôvode života, vrátane toho, aké podmienky prostredia by mohli najlepšie podporovať vývoj RNA na Zemi aj na iných planétach.

Odkaz: „Evolution of RNA-catalyzed RNA“ od Nikolaosa Papastavroua, Davida P. Horninga a Geralda F. Joycea, 4. marca 2024, Zborník Národnej akadémie vied.
doi: 10.1073/pnas.2321592121

Práca bola predtým podporovaná NASA (80NSSC22K0973) a Simons Foundation (287624).