חוקרים מגרמניה גילו מנגנון כימי שככל הנראה איפשר ייצור של חלבונים על גבי מולקולות RNA עוד לפני שנוצרו החיים על פני כדור הארץ
החומר הגנטי של כל היצורים החיים כיום, חוץ מכמה משפחות של נגיפים, הוא DNA – מולקולה ארוכה המורכבת משרשרת של ארבע "אותיות" - הנקראות בסיסים חנקניים. המידע הגנטי הזה עובר העתקה למולקולות RNA אשר מורכבות גם הן מ-4 אותיות דומות אך אינן זהות מבחינה כימית לאותיות ה-DNA. חלק ממולקולות ה-RNA, הנקראות RNA שליח או mRNA, עוברות תרגום לחלבונים שמבצעים את רוב התפקידים הביוכימיים בתא: אנזימים, תעלות, סיבים, הורמונים ועוד. את התרגום מבצעים הריבוזומים, אולם לא ידוע כיצד מנגנון זה התפתח. עתה, חוקרים מציעים שעוד לפני שהופיעו הריבוזומים, מולקולות חלבון קצרות יכלו להיווצר בתהליכים כימיים על גבי מולקולות של RNA מעביר (tRNA).
אחת התיאוריות המובילות לתהליכים שהובילו להיווצרות החיים על פני כדור הארץ היא תיאוריית "עולם ה-RNA". לפי תיאוריה זו – שנסמכת על עדויות כימיות וביוכימיות רבות – המולקולות המשתכפלות הראשונות היו מולקולות RNA, ולא DNA. למולקולות RNA יש יכולת להשתתף בתגובות כימיות, כמו גם להוות זרזים לתגובות כימיות בדומה לאנזימים, כולל יכולת לשכפול עצמי, מה שמולקולות DNA אינן יכולות לעשות. בשלב כלשהו באבולוציה שקדמה לחיים עצמם, מולקולות RNA החלו גם לייצר חלבונים ולחבור אליהם. אולם איך זה התרחש?
בתהליך התרגום משתתפים שלושה סוגי RNA עיקריים: RNA שליח (mRNA) הנושא את המידע הגנטי לייצור חלבון מסוים; RNA ריבוזומלי (rRNA) שמרכיב את הריבוזומים – אותן מכונות מולקולריות שמבצעות את תהליך התרגום מ-RNA שליח לחלבון; ו-RNA מעביר (tRNA) שנושא עימו חומצות אמינו, שהן אבני הבניין של החלבונים, ומתאים כל חומצה לרצף ה-mRNA בריבוזום, כדי להרכיב את החלבון לפי ההוראות.
אחד המאפיינים של מולקולות rRNA ו- tRNA הוא שהן מכילות בסיסים חנקניים השונים מארבעת הבסיסים החנקניים הרגילים. חוקרים רבים חושבים שבסיסים חנקניים אלה הם שארית אבולוציונית מהאב הקדמון המשותף לכל היצורים החיים, בתקופה בה מולקולות RNA הכילו יותר מארבעה סוגים של בסיסים חנקניים. בין הבסיסים המיוחדים יותר, יש גם כאלה שחוברה להם חומצה אמינית, שאינו קשורה לתהליך הרכבת החלבון בריבוזום, אלא מהווה חלק ממולקולת ה-RNA.
בסיסים שמכילים חומצה אמינית אולי היו הבסיס לייצור החלבונים הראשונים. מודל של RNA מעביר | איור – גל חיימוביץ' באמצעות תוכנת Biorender
מ-RNA לחלבונים
בקבוצת המחקר של תומאס קארל (Carell) מאוניברסיטת לודוויג מקסימיליאנס במינכן, גרמניה, שיערו שבסיסים מיוחדים אלה עשויים להיות שריד של תהליכים כימיים שהתרחשו על גבי מולקולות דמויות tRNA לפני הופעת החיים. במחקר שכלל סדרה של ניסויים כימיים, ופורסם בכתב העת Nature, החוקרים הראו שכאשר מערבבים מולקולת RNA המכילה בסיס מיוחד כזה יחד עם מולקולת RNA הקשורה לחומצה אמינית אחרת – נוצר קשר כימי בין שתי החומצות האמיניות, בדומה לקשר הכימי הנוצר בעת ייצור חלבונים. החוקרים הראו שכדי ליצור את החיבור הזה צריך להיווצר באופן מקומי סליל כפול של RNA, ולשם כך מספיק רצף RNA קצר מאוד, של שלושה בסיסים בלבד בכל צד, כפי שקורה כיום בייצור החלבון בריבוזום. החוקרים הצליחו לייצר בשיטה זו שרשראות של עד 12 חומצות אמינו, ממש חלבונים קצרים, ואף לייצר שני חלבונים שונים על אותה מולקולת RNA. הם גם הראו שתגובות כימיות אלה יכולות להיווצר במגוון תנאים של טמפרטורה, מליחות וחומציות שהיו עשויים להתקיים באוקיינוס הקדמוני על פני כדור הארץ.
התהליך שאיפשר יצירת חלבונים קדומים היה דומה בבסיסו למה שמתרחש כיום בריבוזום. ריבוזום עם גדילי RNA שליח | איור: Christoph Burgstedt, Shutterstock
החוקרים משערים כי תהליכים אלה איפשרו את המעבר מעולם ה-RNA לבדו לעולם ה-RNA והחלבונים. כלומר, שלאורך תקופות ארוכות, מבנים מורכבים של RNA משולב בחלבונים קצרים שהראו יעילות גדולה בשכפול ובייצור של חלבונים נוספים, התפתחו ככל הנראה לריבוזומים שאנו מכירים כיום בכל היצורים החיים. החוקרים משערים כי ניסויים עתידיים של "אבולוציה במבחנה" של מולקולות RNA כאלה יוכלו לתרום עוד להבנת המעבר מעולם ה-RNA העתיק לעולם שבו את רוב הפעולות הביוכימיות מבצעים חלבונים.
