Një nga pyetjet e mëdha të papërgjigjura rreth origjinës së jetës është se si pikat e ARN-së që lundronin në supën parake u shndërruan në paketa të mbrojtura nga membranat që i quajmë qeliza.
Një artikull i ri nga inxhinierë nga Shkolla Pritzker e Inxhinierisë Molekulare në Universitetin e Çikagos (UChicago PME), Departamenti i Inxhinierisë Kimike në Universitetin e Hjustonit, dhe biologë nga Departamenti i Kimisë në UChicago, kanë propozuar një zgjidhje.
Në artikullin, të botuar në Science Advances, kërkuesi postdoktoral i UChicago PME Aman Agrawal dhe bashkëautorët e tij—duke përfshirë Dekanin Emeritus të UChicago PME Matthew Tirrell dhe biologun fitues të Çmimit Nobel Jack Szostak—tregojnë se si uji i shiut mund të ketë ndihmuar në krijimin e një muri rrjetë përreth protocelulave 3.8 miliardë vjet më parë, një hap kritik në tranzicionin nga pika të vogla të ARN-së në çdo bakter, bimë, kafshë dhe njeri që ka jetuar ndonjëherë.
“Ky është një vëzhgim i veçantë dhe novator,” tha Tirrell.
Studimi shqyrton “pika koacervate”—hapësira të natyrshme të molekulave komplekse si proteinat, lipidet dhe ARN-ja. Pikat, të cilat sillen si pika vaji në ujë, janë parë prej kohësh si kandidatë për protocelulat e para. Por kishte një problem. Nuk ishte se këto pika nuk mund të shkëmbenin molekula mes tyre, një hap kyç në evolucion, problemi ishte se ato e bënin këtë shumë mirë dhe shumë shpejt.
Çdo pikë që përmbante një mutacion të ri dhe potencialisht të dobishëm të ARN-së do ta shkëmbente këtë ARN me pikat e tjera të ARN-së brenda disa minutash, që do të thoshte se ato do të bëheshin të gjitha të njëjta shumë shpejt. Nuk do të kishte asnjë diferencim dhe asnjë konkurrencë—që do të thotë asnjë evolucion.
Dhe kjo do të thoshte asnjë jetë.
“Nëse molekulat shkëmbehen vazhdimisht midis pikave ose qelizave, atëherë të gjitha qelizat pas një kohe të shkurtër do të duken njësoj, dhe nuk do të ketë evolucion sepse do të përfundoni me klone identike,” tha Agrawal.
Inxhinierimi i një zgjidhjeje
Jeta është nga natyra ndërdisiplinore, kështu që Szostak, drejtori i Qendrës së Çikagos për Origjinën e Jetës, tha se ishte e natyrshme të bashkëpunoje me të dyja, UChicago PME, shkolla ndërdisiplinore e inxhinierisë molekulare në UChicago, dhe departamentin e inxhinierisë kimike në Universitetin e Hjustonit.
“Inxhinierët kanë studiuar për një kohë të gjatë kiminë fizike të këtyre llojeve të komplekseve—dhe kiminë e polimerëve në përgjithësi. Ka kuptim që ka ekspertizë në shkollën e inxhinierisë,” tha Szostak. “Kur po shohim diçka si origjina e jetës, është aq e ndërlikuar dhe ka kaq shumë pjesë sa që na duhen njerëz të përfshirë që kanë çdo lloj përvoje të përshtatshme.”
Në fillim të viteve 2000, Szostak filloi të shqyrtonte ARN-në si materialin e parë biologjik që do të zhvillohej. Ajo zgjidhte një problem që kishte kohë që i stymonte kërkuesit që po shikonin ADN-në ose proteinat si molekulat e para të jetës.
Është si një problem i pulës dhe vezës. Cila erdhi e para?” tha Agrawal. “ADN-ja është molekula që kodifikon informacionin, por nuk mund të bëjë asnjë funksion. Proteinat janë molekulat që kryejnë funksione, por ato nuk kodifikojnë asnjë informacion të trashëgueshëm.”
Kërkuesit si Szostak teorizuan se ARN-ja erdhi e para, “duke u kujdesur për gjithçka” me fjalët e Agrawal, me proteinat dhe ADN-në që evoluonin ngadalë prej saj.
“ARN-ja është një molekulë e cila, si ADN-ja, mund të kodifikojë informacion, por gjithashtu përthyhet si proteinat në mënyrë që të mund të kryejë funksione të tilla si katalizimi gjithashtu,” tha Agrawal.
ARN-ja ishte një kandidaturë e mundshme për materialin e parë biologjik. Pikat koacervate ishin kandidatë të mundshëm për protocelulat e para. Pikat koacervate që përmbanin forma të hershme të ARN-së dukeshin një hap i natyrshëm.
Kjo ishte deri sa Szostak e hodhi poshtë këtë teori, duke botuar një artikull në vitin 2014 që tregonte se ARN-ja në pika koacervate shkëmbehej shumë shpejt.
“Mund të krijosh të gjitha llojet e pikave të tipeve të ndryshme të koacervateve, por ato nuk e mbajnë identitetin e tyre të veçantë. Ato kanë tendencë të shkëmbejnë përmbajtjen e ARN-së shumë shpejt. Kjo ka qenë një problem i qëndrueshëm,” tha Szostak.
“Ajo që treguam në këtë artikull të ri është se mund të kapërcehet të paktën një pjesë e këtij problemi duke transferuar këto pika koacervate në ujë të distiluar—për shembull, ujë shiu ose ujë të freskët të çdo lloji—dhe ato marrin një lloj shtrese të fortë përreth pikave që i pengon ato nga shkëmbimi i përmbajtjes së ARN-së.”
‘Një shpërthim spontan i ideve’
Agrawal filloi të transferonte pika koacervate në ujë të distiluar gjatë hulumtimit të tij të doktoraturës në Universitetin e Hjustonit, duke studiuar sjelljen e tyre nën një fushë elektrike. Në këtë pikë, hulumtimi nuk kishte lidhje me origjinën e jetës, thjesht studimi i materialit magjepsës nga një perspektivë inxhinierike.
“Inxhinierët, veçanërisht ata të Kimisë dhe Materialeve, kanë njohuri të mira për mënyrën e manipulimit të vetive të materialeve si tensioni ndërfaqësor, roli i polimerëve të ngarkuar, kripës, kontrolli i pH-së, etj.,” tha Profesori i Universitetit të Hjustonit Alamgir Karim, ish-këshilltari i tezës së Agrawal dhe një bashkautor i lartë i artikullit të ri. “Këto janë të gjitha aspekte kyçe të botës që njihet popullarisht si ‘lëngje komplekse’—mendoni për shampo dhe sapun të lëngshëm.”
Agrawal dëshironte të studionte veti të tjera themelore të koacervateve gjatë doktoraturës së tij. Nuk ishte fusha e studimit të Karim, por Karim kishte punuar dekada më parë në Universitetin e Minesotës nën njërin nga ekspertët më të mëdhenj të botës—Tirrell, i cili më vonë u bë dekan themelues i Shkollës Pritzker të Inxhinierisë Molekulare në UChicago.
Gjatë një dreke me Agrawal dhe Karim, Tirrell solli në vëmendje se si kërkimi për efektet e ujit të distiluar mbi pikat koacervate mund të kishte lidhje me origjinën e jetës në Tokë. Tirrell pyeti se ku mund të kishte ekzistuar uji i distiluar 3.8 miliardë vjet më parë.
“Unë thashë spontanisht ‘uji i shiut!’ Sytë e tij ndritën dhe ai ishte shumë i emocionuar nga sugjerimi,” tha Karim. “Pra, mund të thuash që ishte një shpërthim spontan i ideve ose ideimit!”
Megjithëse përbërja kimike e saktë e molekulave të hershme parabiologjike dhe e shiut të hershëm mbetet e humbur në kohë, artikulli i ri nga kërkuesi postdoktoral i Shkollës Pritzker të Inxhinierisë Molekulare në UChicago, Aman Agrawal, përshkruan se si mund të ketë ndodhur një tranzicion i tillë. “Ndërsa kimia do të ishte paksa e ndryshme, fizika do të mbetej e njëjtë,” tha Agrawal.
Tirrell e solli kërkimin e ujit të distiluar të Agrawal-it te Szostak, i cili sapo ishte bashkuar me Universitetin e Çikagos për të udhëhequr atë që atëherë quhej Nisma për Origjinën e Jetës. Ai bëri të njëjtën pyetje që i kishte bërë Karim.
“I thashë atij, ‘Ku mendon se mund të ketë ardhur uji i distiluar në një botë prebiotike?'” kujton Tirrell. “Dhe Jack tha saktësisht atë që shpresoja që ai do të thoshte, që ishte shiu.”
Duke punuar me mostra ARN-je nga Szostak, Agrawal zbuloi se transferimi i pikave koacervate në ujë të distiluar rriti shkallën kohore të shkëmbimit të ARN-së—nga disa minuta në disa ditë. Kjo ishte mjaft e gjatë për mutacion, konkurrencë dhe evolucion.
“Nëse ke popullata protocelulare që janë të paqëndrueshme, ato do të shkëmbejnë materialin e tyre gjenetik me njëra-tjetrën dhe do të bëhen klone. Nuk ka asnjë mundësi për evolucion darvinian,” tha Agrawal. “Por nëse ato stabilizohen kundër shkëmbimit në mënyrë që të ruajnë informacionin e tyre gjenetik mjaft mirë, të paktën për disa ditë, kështu që mutacionet mund të ndodhin në sekuencat e tyre gjenetike, atëherë një popullatë mund të evoluojë.”
Shiu, i kontrolluar
Fillimisht, Agrawal eksperimentoi me ujë të deionizuar, i cili pastrohet nën kushte laboratorike. “Kjo nxiti shqyrtuesit e revistës që më pas pyetën se çfarë do të ndodhte nëse uji prebiotik i shiut do të ishte shumë acidik,” tha ai.
Uji komercial laboratorik është i lirë nga të gjitha ndotësit, nuk ka kripë dhe ka një pH neutral të balancuar në mënyrë perfekte midis bazës dhe acidit. Me pak fjalë, është sa më larg nga kushtet reale që një material mund të jetë. Ata duhej të punonin me një material më të ngjashëm me shiun e vërtetë.
Çfarë është më si shiu sesa shiu vetë?
“Ne thjesht mblodhëm ujë nga shiu në Hjuston dhe e testuam stabilitetin e pikave tona në të, vetëm për t’u siguruar që ajo që po raportojmë është e saktë,” tha Agrawal.
Në testet me ujin e shiut të vërtetë dhe me ujin laboratorik të modifikuar për të imituar aciditetin e ujit të shiut, ata gjetën të njëjtat rezultate. Muret rrjetë u formuan, duke krijuar kushtet që mund të kishin çuar në jetë.
Përbërja kimike e shiut që bie mbi Hjuston në vitet 2020 nuk është shiu që do të kishte rënë 750 milionë vjet pas formimit të Tokës, dhe e njëjta gjë mund të thuhet për sistemin model të protocelulave të testuar nga Agrawal.
Artikulli i ri provon se kjo qasje e ndërtimit të një muri rrjetë përreth protocelulave është e mundur dhe mund të funksionojë së bashku për të ndarë molekulat e jetës, duke afruar kërkuesit më shumë se kurrë për të gjetur sasinë e duhur të kushteve kimike dhe mjedisore që lejojnë evolucionin e protocelulave.
“Molekulat që përdorëm për të ndërtuar këto protocelula janë thjesht modele deri sa të gjenden molekula më të përshtatshme si zëvendësues,” tha Agrawal. “Ndërsa kimia do të ishte paksa e ndryshme, fizika do të mbetej e njëjtë.”
