Jak wyglądały początki życia na Ziemi? Sprawdzają to bioinformatycy

Między 4,5 mld i 3,2 mld lat temu zdarzyła się na Ziemi rzecz dotąd niepojęta – pojawiło się życie. Jak to w ogóle było możliwe? Nad problemem tym głowią się nie tylko biolodzy, chemicy czy fizycy, ale i informatycy.

“Badamy, jak to się stało, że z nieożywionych pierwiastków powstało coś, co można nazwać pierwszym życiem” – mówi z rozmowie z PAP prof. Jacek Błażewicz – bioinformatyk z Instytutu Informatyki Politechniki Poznańskiej i Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN.

Jak wyjaśnia, aby mówić o początkach życia, powinny być spełnione co najmniej dwa warunki. Po pierwsze – jakaś struktura (np. związek chemiczny czy ich kompleks) powinna być zdolna do tego, by się powielać, a po drugie – musi być w stanie przenosić informacje.

DNA – PAMIĘCIĄ, BIAŁKO – PROCESOREM, A RNA – POŚREDNIKIEM

Tymi podstawowymi funkcjami w organizmach dzielą się trzy rodzaje cząsteczek: DNA, RNA i białka. Prof. Błażewicz porównuje: “DNA jest jak w komputerze pamięć długotrwała – dysk czy taśma, na której zapisane są informacje. Białka z kolei są jak procesor – przetwarzają informacje. Natomiast RNA jest pośrednikiem, który przekazuje informacje z DNA, aby tworzyć białka. RNA byłby więc czymś w rodzaju mikroprocesora z pamięcią podręczną” – opowiada.

Obecnie żadna z tych trzech “molekuł życia” nie działa sama. Coraz więcej badań wskazuje jednak na to, że to RNA mogło powstać jako pierwsze i doprowadzić do powstania dwóch pozostałych. Tu jednak powstaje pytanie: jak do tego doszło?

CEGIEŁKI DLA RACZKUJĄCEGO ŻYCIA: GUGU-GAGA

W takim wypadku pierwszym etapem tworzenia się życia byłoby powstanie cegiełek tworzących RNA – rybonukleotydów, a więc zasad azotowych (adeniny, guaniny, cytozyny lub uracylu – A, G, C, U). “Zaproponowaliśmy, jak mógłby wyglądać szlak reakcji chemicznych, które mogły na Ziemi doprowadzić do powstania nukleotydów. Wyszliśmy od strony obliczeniowej” – opowiada profesor.

Wyjaśnia, że takich reakcji musiało być sporo. Trudno przeprowadzić eksperyment, który potwierdziłby, że takie reakcje mogły zajść samoistnie. Na szczęście dziś z pomocą przychodzą komputery (czy wręcz superkomputery, jak było w przypadku wspomnianych badań). Dzięki symulacjom można bowiem sprawdzić, czy do reakcji mogło dojść i w jakich warunkach.

A NIECH TO PIORUN TRZAŚNIE! ALBO CHOCIAŻ METEORYT

Aby z prostych składników wytworzyły się związki takie jak kwasy nukleinowe, potrzebna jest w układzie energia. Dawniej sugerowano, że w taką “pierwotną zupę” mógł uderzyć piorun. Zespół prof. Błażewicza pokazał jednak, że powstanie nukleotydów wcale nie musiało być tak spektakularne. Wystarczyłoby, gdyby w tym życiodajnym jeziorze znalazły się… metale. Chociażby takie, jak te obecne w meteorytach. Metale te działałyby jak katalizatory i na tyle ułatwiłyby reakcję, że do powstania cegiełek tworzących RNA żaden piorun nie byłby już konieczny. A łańcuchy RNA mogły się z tych cegiełek tworzyć spontanicznie.

Bioinformatycy z Poznania (oprócz prof. Błażewicza w skład zespołu wchodzą także Szymon Wąsik, Natalia Szóstak, Jarosław Synak, Marcin Borowski i Francisco Carrascoza) sprawdzają też dalszy etap rozwoju życia: jak to możliwe, że RNA zaczęło się namnażać. Jedna z hipotez głosi, że krążące po “pierwotnej zupie” cegiełki zaczęły się spontanicznie łączyć w krótkie łańcuchy. Wśród nich były dwa rodzaje RNA. Pierwszy z nich był aktywny – to łańcuchy RNA, które umiały replikować się oraz powielać inne łańcuchy – działały jak białka. Drugi, pasywny rodzaj RNA, był wzorcem – przechowywał informacje.

Taki podział funkcji między różne rodzaje RNA z czasem mógł prowadzić do powstania białek i DNA. “Nasze symulacje pokazały, że taki system miał szansę na przetrwanie – byłby stabilny i odporny na zakłócenia – np. mutacje” – podsumowuje prof. Błażewicz . Badania ukazały się w PLOS One.

W kolejnym etapie bioinformatycy chcą sprawdzić, jak to możliwe, że wokół „molekuł życia” zaczęła się tworzyć membrana, jako zaczątek błony komórkowej.

PAP – Nauka w Polsce