انتشار این مقاله


قبل از پیدایش: اولین نشانه‌ی حیات، هنوز هم درون ما زنده است

سوپ بنیادین را فراموش کنید؛ ریبوزوم برای دانشمندان جذاب‌تر است.

چهار میلیارد سال پیش، جایی در قلب توده‌های ایستای مواد معدنی و مولکولی‌هایی که سیاره‌ی پر از آب و صخره‌ی ما را به وجود آوردند، حیات جلوه نشان داد. این واقعه مهم‌ترین تبدیل شیمیایی می‌باشد که تاکنون جهان به خود دیده است. نه تنها کل موجودات زنده‌ وام‌دار این واکنش اند، بلکه ترکیب شیمیایی اقیانوس‌ها و اتمسفر هم پس از آن بدون تغییر نمانده است. بدون این اتفاق، سیاره‌ی آبی هم وجود نداشت.

اولین قدم برای جان بخشیدن به جهان مرده، شاید نزدیک‌تر از چیزی به ما باشد که فکرش را می‌کنیم. هر سلول زنده‌ای که یافت شود، یک نسخه از حیات اولیه را در خود دارد. صحبت از ماشین زمانی است که ما را قادر می‌سازد تا چهار میلیارد سال را صفحه به صفحه به عقب ورق بزنیم.

می‌توانیم مزخرف گفتن از منشأ آفرینش را متوقف کنیم؛ چون قادریم آن را ببینیم.

این‌ها جملات لورن ویلیامز (Loren Williams)، بیوشیمی‌دان مؤسسه‌ی تکنولوژی جورجیا در آتلانتاست. چیزی که او و همکارانش در حال کشف آن هستند، کل فهم ما را از پیدایش حیات دگرگون خواهد کرد.

تاکنون بیشترین تلاش‌ها در راستای فهم چگونگی شروع حیات برای بررسی همه جانبه‌ی آن بوده است. در کل، کار با سوپ بنیادین استارت خورد. فرضیه این بود که اقیانوس‌های اولیه پر از مولکول‌های ابتدائی بودند و برای آزمایش آن سعی شد همان مولکول‌های کلیدی در طی روند خودهمانندسازی بازسازی شوند.

با وجود بارقه‌های امید، این کارها در حداکثر کارایی خود شاید راه محتمَل حیات را برای پیدایش به ما نشان دهند. آن‌ها نمی‌توانند چیزی را که واقعاً اتفاق افتاده در مدل‌های ما به نمایش بگذارند.

روش جدیدی که موضوع بحث ماست، مثل فیلم ممنتوی نولان است؛ از حال شروع می‌کند و به گذشته می‌رود. ریبوزوم‌ها، کارخانه‌های پروتئین‌سازی تمامی سلول‌ها از جنس پروتئین و RNA، فقط یک کار انجام می‌دهند: آن‌ها کدهای ژنتیکی DNAها را خوانده و از روی آن پروتئین می‌سازند.

این ساختارها آنقدر برای حیات ضروری اند که از انسان گرفته تا باکتری‌های پست فقط در تزئینات ظاهری فرق می‌کنند. این حد از یکپارچگی پیشنهاد می‌کند که برای یافتن پاسخ پرسشمان باید به ریبوزوم‌ها توجه کنیم.

با پیشرفت تکامل، گونه‌های جدید تکه‌های اضافی‌ای از RNA را به ریبوزوم‌ها چسباندند. این اضافات قابل تشخیص مانده‌اند؛ درست مانند برگی که از درخت افتاده باشد. حتی اگر درخت را نبینیم هم می‌توانیم با مشاهده‌ی برگ به جهت باد خیره شده و بگوئیم باید چیزی آنجا روییده باشد.

کل این شاخ و برگ‌های افزوده شده را کنار می‌زنیم و در نهایت به قسمتی خواهیم رسید که در زمان آخرین جد مشترک جهانی (LUCA) که همه‌ی موجودات امروزی از آن منشأ گرفته‌اند، عملکرد داشته است (تصویر پائین را ببینید).

این قدیمی‌ترین قسمت‌های ریبوزوم، می‌تواند اطلاعات ارزشمندی راجع به پیدایش حیات در اختیار ما قرار دهد.
این قدیمی‌ترین قسمت‌های ریبوزوم، می‌تواند اطلاعات ارزشمندی راجع به پیدایش حیات در اختیار ما قرار دهد.

پس دستاویز ما شد قسمت‌های RNAای ریبوزوم موجودات. ویلیامز و تیمش می‌توانند ریبوزوم را تا زمان لوکا به عقب برگردانند و حتی عقب‌تر. پس از تشخیص اثر انگشت‌های مولکولی، ترکیب RNA جد مشترک هم مشخص شد. محققان به این نتیجه رسیدند که اثرات مشابهی هم بایستی روی ریبوزوم لوکا بوده باشد که از قبل از آن شکل گرفته‌اند. با پیرایش هر چه بیشتر RNAهای اضافه شده در طی تکامل، به نسخه‌ی اولیه نزدیک‌تر می‌شویم؛ یعنی نقطه‌ی شروع.

آخرین جد مشترک جهانی، لوکا

یافته‌های ویلیامز و همکارانش حاکی از این است که قدیمی‌ترین قسمت ریبوزوم، توالی‌ای از RNA می‌باشد که شامل قسمتی شبیه گهواره هم هست.

این سیستم شاید آنطور که باید زنده نباشد، ولی در مسیر حیات، شروع محسوب می‌شود.

منطقه‌ای که امروزه آمینواسیدها را به هم پیوند می‌دهد تا زنجیره‌های شبیه به پروتئین شکل بگیرد. بقیه‌ی تیم‌ها از متدهای متفاوتی برای شناسایی اولیه‌ترین قسمت‌های زیبوزوم بهره برده‌اند؛ روش‌هایی ساده شبیه به پوست کندن پیاز برای رسیدن به مرکز آن! آن‌ها هم موافق اند که این گهواره‌، باستانی‌ترین بخش است.

احتمالاً  این بهترین مدل از تاریخچه‌ی ریبوزوم است.

«جورج فاکس، بیولوژیست تکاملی در دانشگاه هوستون تگزاس»

این باقیمانده از ریبوزوم هیچ کدام از جنبه‌های دقیق ریبوزوم را تا زمان لوکا ندارد. فاقد منطقه‌ای است که کدون ژنتیکی می‌خواند؛ پس نمی‌تواند پروتئین‌های خاص بسازد. به جای آن آمینواسیدها را به همدیگر یا به مولکول‌های دیگر وصل کرده و از طریق وکنش شیمیایی ساده‌ای زنجیره‌های رندمی می‌ساخته که به منشأ زمینی ما برمی‌گردد.

بنابراین ریبوزم‌های اولیه باید برای دستگرمی مولکول‌هایی را می‌ساختند که ویلیامز به آن‌ها سوسیس‌ساز مولکولی می‌گوید! بقیه‌ی محققان هم شواهدی پیدا کرده‌اند که از این یافته‌ها پشتیبانی می‌کند: تحت شرایط مساعد، حتی ریبوزوم‌های مدرن را هم می‌توان فریب داد تا مولکول‌هایی به غیر از آمینواسیدها را به هم متصل کنند.

در جهان اولیه قطعات با سرعتی بالا و به صورت تصادفی توسط سوسیس‌ساز مولکولی ساخته می‌شدند و فقط تعداد کمی از آن‌ها به شکلی درمی‌آمدند که بتوانند به RNA ریبوزومی متصل شوند. این اتفاق باعث می‌شد مولکول‌های کوچک کمی ثابت‌تر شوند.

توالی‌هایی که ساختارهای ثابت‌تری را شکل دادند، بیشتر ماندگار شدند و محققان به دنبال بازسازی آن‌ها هستند. به تدریج این رشد پیوسته، ساختار ریبوزوم‌ها را بزرگ و بزرگ‌تر کرد. این نوع از تکامل هیچ ربطی به ژن و اطلاعات ندارد؛ بهتر است نامش را تکامل شیمیایی بگذاریم.

این هم‌تکاملی به هم ریخته‌ی RNA و قطعات پروتئینی در مدت زمان کوتاه به چیزی رسیدند که محققان به آن حیات واقعی می‌گویند. این مولکول‌ها شاید مشخصاً RNA و پروتئین نبوده باشند، ولی طیفی از پروتو-مولکول‌ها را می‌توان تصور کرد که قابلیت مونتاژ تسهیل‌شده‌ای داشتند.

در هر حال کل سیستم به عنوان تکامل شیمیایی از میان مولکول‌هایی که تصادفی ساخته شده بودند، آن‌هایی را که بیشترین هماهنگی را با هم داشتند، انتخاب کرده است.

با اینکه برخی جزئیات مبهم اند ولی ویلیامز درباره‌ی یکی از ویژگی‌های این مرحله‌ی اولیه مطمئن است: هیچ کد ژنتیکی و همانندسازی دقیقی از ژنوم تا کمی قبل از شروع حیات واقعی وجود نداشت. در سلول‌های امروزی، دستورالعمل‌ها از DNA مرکزی در هسته توسط RNAها به ریبوزوم می‌رسد. ریبوزوم‌ها این پیام را به صورت سه حرفی خوانده و هر کدام را به یک آمینواسید ترجمه می‌کنند. در ادامه‌ی این نظم، آمینواسید مخصوص توسط tRNA تا محل خودش اسکورت می‌شود.

RNA انتقال‌دهنده (tRNA) و mRNA اجزای لازم برای کدخوانی ژنتیکی هستند. با این حال هنوز در همه‌ی بازسازی‌های صورت گرفته از تاریخچه‌ی قبل از لوکا، قسمت‌هایی از ریبوزوم که مخصوص اتصال به این دو مولکول هستند، بعداً ظاهر شده‌اند. ولی ویلیامز گمان می‌کند، عملکردهای اولیه‌ی mRNA و tRNA به نظر نمی‌آید چیزی به پیچیدگی کمک به کدخوانی سه حرفی بوده باشد. بهتر است بگوئیم این مولکول‌های ابتدا قطعاتی از RNA بودند که به ترتیب گرفتن صحیح آمینواسیدها کمک می‌کردند.

طرح برنامه‌ریزی‌شده‌ای که در کدهای ژنتیکی وجود دارد به ریبوزوم اجازه می‌دهد تا هزاران کپی از یک پروتئین یکسان و آن هم بدون تفاوت ایجاد نماید. اما در ماقبل تاریخ پیدایش، پروتو-ریبوزوم راهی برای خوانش کدهای ژنتیکی نداشت؛ بنابراین طیفی از مولکول‌های جدید ایجاد می‌کرد و شاید بعضی از این مولکول‌ها با اتصال خود به همین ریبوزوم، موجب ثبات سیستم شده باشد.

تدریجاً، این مکانسیم باعث انتخاب tRNA و mRNAهایی شده است که در کار خود دقیق‌تر بودند؛ نهایتاً مولکول‌هایی به وجود آمده که در مواقع ویژه آمینواسیدهای مخصوصی را معرفی می‌کنند. آخر کار هم تکامل داروینی کارگر است، و سیستم به نقطه‌ای می‌رسد که می‌توان ویژگی “زنده” بودن را به آن داد. بسیاری از زیست‌شناسان تکاملی روی این موضوع اتفاق نظر دارند که برای اولین بار RNA کدهای ژنتیکی را در خود داشته؛ DNA، مولکول پایدارتر، بعداً به وجود آمده است.

یکی از فرآیندهای کلیدی در تکامل RNA و پروتئین‌ها چین‌خوردگی بود: بسیاری از پروتئین‌های امروزی تاخوردگی‌های بسیار پیچیده‌ای دارند که شکل سه‌بعدی خاصی به آن‌ها می‌دهد. بدون این شکل سه‌بعدی عملکرد آن‌ها امکان‌پذیر نخواهد بود.

چگونگی تکامل این پروسه هنوز یکی از رازهای بیولوژیست. چین خوردگی خصوصیتی بسیار نادر است و تعداد زنجیره‌های پروتئینی قابل تصور از شمار اتم‌های عالم بیشتر است! بنابراین منطقی نیست که فکر کنیم تکامل، همه‌ی این پروتئین‌های بالقوه را کاوش کرده تا چند چین‌خوردگی پیدا کند.

تکامل شیمیایی راه‌حلی برای این مشکل پیشنهاد می‌دهد. برای چین‌خوردن مناسب یک پروتئین، یک قسمت از آن باید بدون مداخله‌ی مولکول‌های آب با قسمت دیگر چفت شود. این ویژگی، همچنین به تعدادی از پروتو-پروتئین‌ها کمک کرده تا به پروتو-RNAها وصل شده و آن‌ها را پایدار نمایند.

با هم‌تکاملی این مولکول‌ها، قطعات پروتئینی‌ای انتخاب شده‌اند که خوب چین می‌خوردند.

ریبوزوم هنوز رکورد این فرآیند را داراست. پروتئین‌هایی که با قدیمی‌ترین قسمت ریبوزوم در ارتباط اند، چین‌خوردگی خاصی نشان نمی‌دهند. هر چه به قسمت‌های جدیدتر ریبوزوم نگاه می‌کنیم، پروتئین‌ها بیشتر و پیچیده‌تر از قبلی‌ها چین خورده‌اند. همچنین قسمت‌های RNA ریبوزوم نیز چین‌های پایدارتری پیدا کردند.

ایده‌ی هم‌تکاملی پروتئین و RNA دقیقاً همین جا نقشه‌بندی شده؛ ما می‌توانیم آن را ببینیم.

سناریوی ویلیامز راهی را پیش پای ما می‌گذارد تا بتوانیم از پارادوکس مرغ و تخم‌مرغ پیدایش حیات خارج شویم. همچنین خروجی از دنیای RNA غالب است. حتی منتقدان او نیز به این ایده روی خوش نشان داده‌اند.

ویلیامز می‌گوید که تنها در آغاز راه است. تیم او بر آنند تا مراحل تکامل ریبوزومی را در آزمایشگاه بازسازی کنند تا بتوانند کارایی‌های هر کدام را تست نمایند.

ریبوزوم، موهبت طبیعت به ماست؛ ما این کپسول کوچک زمان را باز کرده‌ایم و می‌خواهیم درون آن را بررسی کنیم.

علی تقی‌زاده


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *