چگونه تکثیر سلولی، حیات را رقم زد

از سال‌ها پیش دانشمندان می‌دانستند که حیات از وقتی آغاز به شکل‌گیری کرده است که یک مولکول توانسته از روی خودش کپی تهیه کند. عمل همانندسازی سلولی آن گونه که پژوهشی در 50 سال پیش، پرده از راز آن برداشت، با تکثیر RNAها آغاز شد. آر.ان.ای ساختاری مشابه پروتئین‌ها دارد، اما با یک تفاوت آشکار که آنها بسیار ساده و فاقد پیچیدگی‌های ذاتی پروتئین‌ها هستند. آر.ان.ای در ذخیره اطلاعات به خوبی DNA عمل نمی‌کند و ثبات کمتری دارد، حوزه عملکردش مثل پروتئین‌ها گسترده نیست، اما به عنوان یک ابزار مولکولی فعالیت‌ها و قابلیت‌های فراوانی دارد. این موضوع، تاییدکننده این نظریه است که حیات اولیه از مولکول‌های یک آر.ان.ای که قادر به تکثیر خود بوده، تشکیل شده است.
سال 2000 بسیاری از زیست‌شناسان به نظری جامع در این مورد رسیدند. آنها روی ساختار فاکتورهای سازنده پروتئین‌ها در سلول‌ها کار می‌کردند که دریافتند پیش‌ساز اصلی این فاکتورها یک آنزیم آر.ان.ای است. با توجه به این که پروتئین‌ها توسط آر.ان.ای سنتز می‌شوند. پس یقینا می‌توان نتیجه‌گیری کرد که حیات باید در ابتدا توسط آر.ان.ای‌ها تشکیل شده باشد.
اما با وجود این همه اطلاعات جدید هنوز هم بسیاری از مسائل حل نشده مانده است. ما امروزه می‌دانیم که آر.ان.ای قادر به همانندسازی است ولی این را نیز می‌دانیم که هم آر.ان.ای و هم دی.ان.ای برای تکمیل یا انجام عملیات همانند‌سازی خود به یک سری از پروتئین‌ها نیاز دارند. پس اگر قبلا و در زمان‌های ابتدایی شکل‌گیری حیات روی سیاره زمین، آر.ان.ای وجود داشته که به طور مستقل و بدون نیاز به پروتئین‌ها از روی خودش همانندسازی می‌کرده، امروزه ناپدید شده است. بنابراین محققان علم بیوشیمی درصدد ایجاد شرایط خاصی برای گونه‌های مختلفی از آر.ان.ای بر آمدند تا با انتخاب تصادفی بعضی از آنها و ایجاد شرایط لازم برای تکاملشان، موقعیتی مشابه نمونه‌های باستانی را برای آنها به وجود آورند و مشاهده کنند که آیا این آر.ان.ای‌ها می‌توانند برای بار دوم حیاتی دیگر را آغاز و آن را تکامل بخشند؟
سال 2001 و در نتیجه این تحقیق یک آنزیم آر.ان.ای به نام R18 کشف شد که می‌توانست 14 نوکلئوتید (از اجزای ساختمانی آر.ان.ای و دی.ان.ای)‌ را به آر.ان.ای‌های موجود اتصال دهد و آر.ان.ای متفاوتی با ساختار جدید بسازد، اما R18 گزینه مناسبی برای این که جد اعظم همه گونه‌های زیستی سیاره زمین باشد، نیست. برای درک این موضوع، خوب است توجه داشته باشید که زمانی می‌توانیم از یک آر.ان.ای خود همانند ساز صحبت کنیم که آن آر.ان.ای بتواند یک آر.ان.ای جدید با طولی حداقل مشابه خودش بسازد. R18 از 189 نوکلئوتید تشکیل شده است؛ در حالی که طویل‌ترین فرزند این آر.ان.ای تنها می‌تواند طولی برابر 20 نوکلئوتید داشته باشد.
اما کشف بعدی یک قدم بزرگ به پیش بود. محققان موسسه زیست‌شناسی مولکولی کمبریج انگلستان به یک آنزیم آر.ان.ای به نام TC19Z دست یافتند که می‌توانست رشته‌های RNA با طولی تا 95 نوکلئوتید را کپی کند. برای انجام این تولیدمثل مولکولی، آنزیم TC19Z خود را به انتهای یک آر.ان.ای می‌چسباند، سپس از بین نوکلئوتید‌های سرگردان در اطراف، مناسب‌ترین را انتخاب و آن را به ته رشته آر.ان.ای، جایی که خود قرار دارد، اضافه می‌کند. سپس این آنزیم فعال یک قدم به جلو حرکت کرده و مجددا این کار را تکرار می‌کند و نوکلئوتید‌های دیگر پیش روی خود را نیز به آن اضافه می‌کند. فیلیپ هالیگر، سرپرست تیم پژوهشگران معتقد است می‌توان خیلی از فعالیت‌های پیچیده سلولی را توسط همچین آنزیم ساده به انجام رساند.
تا اینجا محققان به ایجاد یک آر.ان.ای یا شاید دسته‌ای از مولکول‌ها که قادر بودند خود را همانندسازی کنند، نزدیک شده بودند، اما درست در جایی که به نظر می‌رسید پاسخ در یک قدمی آنها انتظار کشف شدن را می‌کشید، پرسشی بزرگ‌تر نمایان شد که باعث شد تا مدت‌ها پژوهشگران مجبور شوند از روند عادی تحقیقات منحرف شوند تا پاسخی برای این پرسش جانبی بیابند. پرسش جدید این بود که انرژی لازم برای انجام این فعالیت‌ها و خود همانندسازی‌ها از کجا تامین می‌شود؟
برای به سرانجام رسیدن یک همانندسازی مولکولی باید چند فرآیند متابولیکی خاص صورت گیرد. در حالی که به نظر نمی‌رسد آر.ان.ای به تنهایی قادر به انجام این فرآیندهای متابولیکی باشد. آر.ان.ای‌ها تنها تعداد معدودی ابزار مولکولی برای انجام یک فرآیند شیمیایی در اختیار دارند. پروتئین‌ها از این نظر و نسبت به آر.ان.ای‌ها بسیار غنی هستند. آنها با در اختیار داشتن تعداد زیاد و متنوعی از ابزار قوی و کارآمد مولکولی می‌توانند واکنش‌های شیمیایی خیلی پیچیده را حتی در محدوده‌ای که اصلا از یک پروتئین انتظارش نمی‌رود، انجام دهند یا در انجام آن نقش اساسی داشته باشند.
اما همیشه گفته‌اند که نیاز مادر اختراع است و خب شاید آر.ان.ای‌ها هم از این ضرب‌المثل درس زیادی گرفته باشد. شاید آنها هم تمام تلاش خود را به کار برده باشند تا از همان ابزارهای ساده‌ای که در اختیار دارند و در کنار هم قرار دادن آنها یا اضافه کردن تکه‌پاره‌های دورریختنی دور و برشان یک ابزر قوی‌تر و کارآمدتر بسازند. دقیقا همان کاری که ما هم در شرایط اضطراری انجام می‌دهیم یا سازندگان ابزاری که با فروش یک ابزار که قابلیت اتصال سرهای مختلفی را دارد، مجموعه متنوعی را در اختیار شما قرار می‌دهند. شاید هم ما این توانایی را از اجداد آر.ان.ایی خود به ارث برده‌ایم. فکرش را بکنید، ما کجا و آر.ان.ای کجا!
دانشمندان در آن زمان می‌دانستند که پروتئین‌ها با کمک چنین ابزار چندمنظوره‌ای که در عالم مولکولی کوفاکتور نامیده می‌شوند، می‌توانند عملیات محیرالعقولی را به انجام رسانند که در بسیاری مواقع، خارج از کنترل خود پروتئین است. آنها همچنین می‌دانستند که بدون وجود کوفاکتورها زندگی نمی‌توانست به این شکلی که امروزه آن را می‌شناسیم، وجود داشته باشد چراکه بسیاری از فرآیندهای شیمیایی دی.ان.ای‌ها و پروتئین‌های تشکیل‌دهنده آنها به کمک همین کوفاکتورها انجام می‌شود.
توجه به کوفاکتورها و نقش احتمالی آنها در فرآیند همانندسازی آر.ان.ای در روزگاران باستانی باعث شد تا گروه بزرگی از پژوهشگران بین‌المللی، تحقیقات خود را در این زمینه متمرکز کنند. در همین خصوص محققان دانشگاه توکیوی ژاپن یک آنزیم آر.ان.ای کشف کردند که قادر به اکسیداسیون الکل بود و برای این کار خود از کوفاکتوری به نام NAD+ کمک می‌گرفت. چند ماه بعد پژوهشگران پی‌بردند که یک آنزیم آر.ان.ای طبیعی دیگر به نام glmS نیز از یک کوفاکتور برای انجام وظایف خود کمک می‌گیرد.

آر.ان.ای، جد اعظم حیات
 

خب حالا شواهد بسیاری وجود دارد که نشان می‌دهد می‌توان یک آر.ان.ای را جد اعظم حیات روی زمین دانست. حالا آنها باید ثابت می‌کردند که اولین آر.ان.ای می‌توانسته از کنار هم قرار گرفتن اجزای تشکیل‌دهنده‌اش در آن روزگاران به وجود آید تا با تکثیر خود که حالا ثابت شده بود امکانش هست، بتواند حیات را آغاز کند. مولکول‌های آر.ان.ای رشته‌های نوکلئوتیدی هستند که از نظرساختاری از قند و باز متصل به فسفات تشکیل شده‌اند.
در سلول‌های زنده آنزیم‌های بی‌شماری برای تولید و اتصال آنها به هم دخیل هستند و قطعا احتیاج به توضیح ندارد که سیاره زمین در دوران کهن فاقد خیلی از این آنزیم‌ها بوده است، اما آنچه می‌دانیم این است که در آن زمان زمین را لایه‌ای غنی از خاک رس پوشانده بود و جالب این که حدود 10 سال پیش، محققان دریافته بودند که وقتی نوکلئوتیدهای فعال شده ـ همان هایی که به بخش فسفات آنها ذرات خارجی اتصال یافته‌اند ـ به خاک رس بخصوصی که از یک آتشفشان به جا مانده بود، اضافه شدند، مولکول‌های آر.ان.ای به طول 55 نوکلئوتید از آنها تشکیل شدند. تشکیل آر.ان.ای‌های بزرگ با نوکلئوتیدهای عادی از نظر انرژی ناممکن است، اما آنهایی که فعال شده‌اند، انرژی لازم برای پیشبرد واکنش را در دل نهفته دارند.
این امر بیانگر آن است که اگر در آغاز حیات تعداد زیادی از نوکلئوتید‌های فعال وجود داشته، مولکول‌های آر.ان.ای بزرگ می‌توانستند به طور خود به خودی تشکیل شوند. حالا فقط مانده بود تا این تئوری امتحان شود. پس آزمایش‌هایی در شرایط محیطی شبیه‌سازی شده مشابه شرایط حاکم بر زمین در زمان آغاز حیات صورت گرفت تا نشان داده شود که مولکول‌های قند، باز و فسفات می‌توانند به طور طبیعی به هم متصل شده و زنجیره حیات نوینی را شکل دهند، اما دانشمندان خیلی زود متوجه شدند که به دلیل شکل مولکول‌ها تقریبا غیرممکن است که مولکول شکر به باز متصل گردد و حتی اگر این امر اتفاق افتد، مولکول تشکیل شده بسرعت از هم پاشیده می‌شود.
این یافته ناامیدکننده خیلی از زیست‌شناسان را به شک انداخت که آیا واقعا آر.ان.ای‌ها اولین همانندسازهای جهان بوده‌اند؟ اما همیشه می‌توان یک دانشمند جان سختی پیدا کرد که در شرایط کاملا ناامیدکننده، رویای خود را فرو نمی‌گذارد و به تحقیق برای رسیدن به پاسخی که خود را در جایی پنهان کرده، ادامه می‌دهد. جان ساترلند، یکی از محققان موسسه MRC نیز از همین دست دانشمندان بود و سرسختانه برای حل مشکل پدید آمدن نوکلئوتید‌ها تلاش کرد. او به این نتیجه رسید که احتمالا محققان قبلی، راه را اشتباه رفته‌اند. او می‌گوید: در هر نوکلئوتید یک مولکول قند، یک باز و یک گروه فسفات می‌بینیم. نگاه ساده و اولیه این بوده که باید ابتدا این مولکول‌های بزرگ و پیچیده را جداگانه ساخت و بعد آنها را به هم وصل کرد، کاری که به نتیجه نرسید، اما چه خواهد شد تا ما به مولکول‌های ساده‌ای از این سه نوع اجازه دهیم ابتدا به هم بچسبند و بعد شروع به رشد و بزرگ شدن کنند... .
او سپس به این فکر افتاد که آیا ممکن است مولکول‌های ساده‌تر بدون این که به قند یا باز تبدیل شوند، به هم متصل شوند و تشکیل یک نوکلئوتید دهند؟! سال 2009 او متوجه شد که این امر ممکن است. او نیمی از یک مولکول قند و نیمی از یک مولکول باز را برای آزمایش انتخاب کرد، سپس آنها را به هم متصل کرد و اتصال قند ـ‌ باز را که تا آن زمان توسط خیلی از محققان روی آن کار شده بود، اما به هیچ نتیجه‌ای نرسیده بود، ایجاد کرد. او سپس آن را روی نیم دیگر از آن قند و باز سوار کرد و سرانجام مجموعه را به یک گروه فسفات متصل کرد. او در ادامه تحقیقاتش متوجه شد که برای پیشبرد واکنش‌های ابتدایی حضور فسفات کاملا ضروری بوده است.

شیمی قفل‌های طلایی
 

ساترلند به طور آزمایشی، محیطی کثیف را که از ابتدا محتوی فسفات بود، انتخاب کرد و نتایج خیلی خوبی به دست آورد. او متوجه شد که زمین در دوران ابتدایی خود، محل کثیفی سرشار از انواع فسفات‌ها بوده و این موضوع شرایط را برای ساخت نوکلئوتیدها بسیار مناسب کرده بود.
اما این قضیه حتی هنوز هم حل نشده باقی مانده است. آر.ان.ای از 4 نوع مختلف نوکلئوتید تشکیل شده و این درحالی است که ساترلند تنها توانسته دو نوع از آنها را در شرایط آزمایشگاهی خود تولید کند. هرچند او می‌گوید به ساخت آن دو نوع دیگر هم بسیار نزدیک شده، اما با این همه اگر او حتی موفق به تولید هر چهار گونه نوکلئوتیدها شود، فقط نشان خواهد داد که تشکیل خود به خودی همانندسازهای آر.ان.ای غیرممکن نیست و این که به احتمال زیاد اولین همانندسازها از دسته آر.ان.ای بوده‌اند.
اما این تازه آغاز ماجراست. هنوز خیلی از سوال‌ها بی‌پاسخ مانده است. زیست‌شناسان معتقدند که حتی در صورت تولد یک همانندساز از جنس آر.ان.ای، باید چیزی شبیه به سلول در آن دوران وجود می‌داشت تا همانندسازها را در درون خود حفظ کند و اجزای آن را متصل به هم نگه دارد.
محققی از دانشگاه هاروارد نشان داده که خاک رس همان طور که به تولید زنجیره‌های آر.ان.ای کمک می‌کند، اتصالات غشایی را به روشی مشابه کاری که سلول‌ها انجام می‌دهند، حفظ می‌کند. نظریه دیگر این است که حیات در ابتدا در محیط گرم و قلیایی در کف دریا تشکیل شده است، اما یک ایده جالب توجه دیگر می‌گوید که امکان دارد همه این وقایع در یخ اتفاق افتاده باشد. در زمانی که حیات تشکیل می‌شده است، خورشید 30 درصد تیره‌تر از وضعیت فعلی‌اش بوده؛ بنابراین احتمالا سطح وسیعی از زمین را یخ در بر گرفته بوده است. آر.ان.ای‌های منجمد بیشتر دوام می‌آورند و یخ فواید بسیار دیگری هم دارد. برای مثال آنزیم R18 در یخ بهتر از دمای عادی اتاق فعالیت می‌کند.
هم‌اکنون هیچ راهی برای اثبات و انتخاب یکی از این پیشنهادها وجود ندارد. تا آنجا که ما اطلاع داریم، هیچ فسیلی از همانندسازهای ابتدایی باقی نمانده است و اصلا انتظار چنین معجزه‌ای هم نمی‌رفته است. ولی ما می‌توانیم در آینده دنیای آر.ان.ای‌ها را شبیه‌سازی کنیم تا متوجه شویم که حیات واقعا از کجا آمده است.
منبع:روزنامه جام جم
ارسال توسط کاربر محترم سایت :hasantaleb