המפתח המשתכפל למקור החיים

לאורך ההיסטוריה ניסו פילוסופים ומדענים לפתור את פרדוקס מקור החיים – האם הביצה קדמה לתרנגולת או להיפך? השאלה חלה גם על ההיבט המולקולרי של החיים. ה-DNA, המולקולה שמכילה את המידע הגנטי הנחוץ לחיים, אוצרת את המידע לייצור חלבונים שפעילותם הכרחית לקיום החיים, ובין השאר לבניית ה-DNA עצמו והעברתו לדורות הבאים. אם כן, איזו מולקולה קדמה לשנייה ואיך התנאים על פני כדור הארץ הקדמוני חסר החיים יכלו להביא ליצירתן מלכתחילה? מחקר חדש מספק לראשונה זווית ראייה מעניינת על המקור המולקולרי של החיים.

לפני כארבעה מיליארדי שנים, כשכדור הארץ היה צעיר, מולקולות קטנות נרקחו במים החמים כתוצאה מפעילות געשית, ויצרו מולקולות מורכבות יותר בעלות יכולת לשכפל את עצמן. סבורים שכך נולדו יסודות החיים הראשוניים, אך זהותם היא התעלומה הגדולה ביותר של האבולוציה. ההנחה הרווחת כיום היא שמולקולת ה-RNA, שדומה בתכונותיה ל-DNA ובעיקר מתווכת בין המידע הגנטי לבין תהליך יצירת חלבונים, הייתה המפתח להתפתחות החיים.

RNA היא מולקולה שמעתיקה לתוכה מקטע של מידע גנטי מה-DNA ונושאת אותו לאברונים בתא החי שנקראים ריבוזומים, שמתרגמים אותו ליצירת חלבונים. הגילוי של מולקולות RNA שאינן משמשות ליצירת חלבונים וניחנות ביכולת לבצע תגובות כימיות, בדומה לחלבונים, הוליד את ההשערה של-RNA היה תפקיד מפתח בהתפתחות החיים. מולקולות RNA מסוימות מסוגלות אפילו לשכפל את עצמן, וכך ממלאות את התנאים הבסיסיים הדרושים לחיים.

כעת, תיאוריה אחרת מנסה להחליף את השערת עולם ה-RNA ומציעה דווקא עולם פרהיסטורי של עמילואידים (כלומר, "דמויי עמילן"). לפי ההשערה הזאת, יסוד החיים הוא מולקולות חלבוניות שמאורגנות יחדיו במבנה סדור בצורת סיבים הדומים לרב הסוכר עמילן. העמילואידים ידועים לשמצה עקב כך שכאשר הם נוצרים ספונטנית בתאי מוח הם מעורבים בהתפתחות מחלות ניווניות כמו אלצהיימר ופרקינסון. למרות זאת, מחקרים הראו שעמילואידים יכולים לשרת תפקידים חיוניים כגון יצירת הצבען (פיגמנט) מלנין בעורם של יונקים או אכסון זיכרונות תאיים אצל שמרים.

פעילותם המגוונת של העמילואידים דרבנה את רולנד ריק (Riek) וג'ייסון גרינוולד (Greenwald) מהמכון הטכנולוגי של ציריך לשער כי ייתכן שהם היו מולקולות החיים הראשונות. לטענתם, מולקולות ה-RNA מורכבות מדי ואינן יציבות מספיק כדי להיווצר באופן ספונטני ולתמוך בחיים מראשיתם.

בשנת 2016 הראו השניים שעמילואידים יכולים להיווצר בתנאים ששררו בכדור הארץ הקדום בחשיפה לחום גבוה ולגז הוולקני קרבוניל סולפיד, שהיה זרז של התהליך, בלי תלות ב-RNA כתבנית לקידוד. בנוסף הדגימו השניים שעמילואידים מסוגלים לזרז תגובות כימיות בדומה לאנזימים חלבוניים. אולם עד כה חסרה ההוכחה לכך שעמילואידים יכולים לשכפל את עצמם, ובהיעדרה אי אפשר היה לבסס את מעמדם ההיסטורי.

כל חלק מתיישב במקום הנכון לפי הצורה שלו, וכך הסיבים משכפלים עצמם | איור: Lukas Frey/ETH Zurich
 

במחקרם האחרון עיצבו ריק וגרינוולד עמילואידים שהורכבו משני רצפים חלבוניים בעלי רצף חזרתי משלים עם מטענים מנוגדים. במשיכתם זה לזה, המטענים הללו יוצרים את הסיבים, כמעין רוכסן שמתחבר משני חלקים. אחד מהרצפים במבנה קצר בשתי חומצות אמיניות מהמשלים שלו ויוצר מגרעת במבנה העמילואיד. כשהוסיפו את העמילואידים לתערובות של חומצות אמיניות שונות, נוכחו החוקרים לגלות שהרצפים הקצרים במבנה העמילואיד הוארכו בשתי חומצות אמיניות לכל היותר, שתואמות את התבנית המשלימה על גבי הרצף הארוך יותר. כלומר הייתה תוספת של מטען חיובי חדש. התכונה הזאת דומה לדרך שבה חלבונים משכפלים DNA ובונים את המולקולה על סמך תבנית משלימה שהם קוראים. אם כי במקרה הנוכחי השכפול עצמאי לחלוטין.

בנוסף לתצפית המפתיעה המחישו החוקרים שהתארכות העמילואידים אפשרית בטווח רחב של רמות חומציות, טמפרטורות וריכוזי מלחים, בהתאם לתנאים הקיצוניים ששררו בכדור הארץ הקדום. פשטותם ויציבותם של מבני העמילואידים מחזקות את ההשערה שהם היו קיימים במרקחת הפרהיסטורית של כדור הארץ בדרך ליצירת החיים.

"לעולם לא נוכל לדעת מה נכון באמת", אומר ריק ביחס למקור המולקולרי של החיים, "אך אנו חושדים שכמה תהליכים מולקולריים ומגוון של מולקולות קדומות היו מעורבים יחד ביצירת החיים".