Σχεδόν όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί χρησιμοποιούν τον ίδιο γενετικό κώδικα, έναν περίπλοκο μηχανισμό με τον οποίο οι γενετικές πληροφορίες μεταφράζονται σε πρωτεΐνες, τα δομικά στοιχεία της ζωής. Μια νέα μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα προτείνει ότι η συμβατική σοφία σχετικά με το πώς εξελίχθηκε ο κώδικας είναι πιθανότατα εσφαλμένη.
Αναγκαία η αναθεώρηση του γενετικού κώδικα
Παρά την ποικιλομορφία που προκαλεί δέος, σχεδόν κάθε μορφή ζωής -από βακτήρια έως μπλε φάλαινες- μοιράζεται τον ίδιο γενετικό κώδικα. Το πώς και πότε προέκυψε αυτός ο κώδικας έχει αποτελέσει αντικείμενο πολλών επιστημονικών διαφωνιών. Ακολουθώντας μια νέα προσέγγιση σε ένα παλιό πρόβλημα, η Sawsan Wehbi, διδακτορική φοιτήτρια στο Διεπιστημονικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Γενετικής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, ανακάλυψε ισχυρές ενδείξεις ότι η έκδοση του σχολικού βιβλίου για το πώς εξελίχθηκε ο καθολικός γενετικός κώδικας χρειάζεται αναθεώρηση.
Η Wehbi είναι η πρώτος συγγραφέας μιας μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «PNAS», προτείνοντας ότι η σειρά με την οποία τα αμινοξέα -τα δομικά στοιχεία- στρατολογήθηκαν έρχεται σε αντίθεση με αυτό που θεωρείται ευρέως ως «συναίνεση» της εξέλιξης του γενετικού κώδικα. «Ο γενετικός κώδικας είναι αυτό το εκπληκτικό πράγμα, στο οποίο μια σειρά DNA ή RNA που περιέχει αλληλουχίες τεσσάρων νουκλεοτιδίων μεταφράζεται σε πρωτεϊνικές αλληλουχίες, χρησιμοποιώντας 20 διαφορετικά αμινοξέα», δήλωσε η Joanna Masel, ανώτερη συγγραφέας της μελέτης και καθηγήτρια Οικολογίας και Εξελικτικής Βιολογίας. «Είναι μια απίστευτα περίπλοκη διαδικασία και ο κώδικάς μας είναι εκπληκτικά καλός. Είναι σχεδόν βέλτιστος για ένα σωρό πράγματα και πρέπει να έχει εξελιχθεί σταδιακά».
Η μελέτη αποκάλυψε ότι η πρώιμη ζωή προτιμούσε μικρότερα μόρια αμινοξέων από μεγαλύτερα και πιο σύνθετα, τα οποία προστέθηκαν αργότερα, ενώ τα αμινοξέα που συνδέονται με μέταλλα εντάχθηκαν πολύ νωρίτερα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Τέλος, η ομάδα ανακάλυψε ότι ο σημερινός γενετικός κώδικας πιθανότατα ήρθε μετά από άλλους κώδικες, που έκτοτε έχουν εξαφανιστεί.
Ποιά είναι η συμβατική άποψη
Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι η τρέχουσα κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίχθηκε ο κώδικας είναι λανθασμένη επειδή βασίζεται σε παραπλανητικά εργαστηριακά πειράματα και όχι σε εξελικτικά στοιχεία. Για παράδειγμα, ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους των συμβατικών απόψεων για την εξέλιξη του γενετικού κώδικα βασίζεται στο διάσημο πείραμα Urey-Miller του 1952, το οποίο προσπάθησε να προσομοιώσει τις συνθήκες στην πρώιμη Γη που πιθανώς είδαν τη γένεση της ζωής.
Ενώ είναι πολύτιμο για να αποδειχθεί ότι η μη ζωντανή ύλη θα μπορούσε να δημιουργήσει τα δομικά στοιχεία της ζωής, συμπεριλαμβανομένων των αμινοξέων, μέσω απλών χημικών αντιδράσεων, οι επιπτώσεις του πειράματος έχουν τεθεί υπό αμφισβήτηση. Για παράδειγμα, δεν απέδωσε αμινοξέα που περιέχουν θείο, παρά το γεγονός ότι το στοιχείο ήταν άφθονο στην πρώιμη Γη.
Ως αποτέλεσμα, τα θειικά αμινοξέα πιστεύεται ότι εντάχθηκαν στον κώδικα πολύ αργότερα. Ωστόσο, το αποτέλεσμα δεν προκαλεί έκπληξη, δεδομένου ότι το θείο παραλείφθηκε από τα συστατικά του πειράματος. Σύμφωνα με τον συν-συγγραφέα Dante Lauretta (Regents Professor of Planetary Science and Cosmochemistry στο Lunar and Planetary Laboratory), η πλούσια σε θείο φύση της πρώιμης ζωής προσφέρει πληροφορίες για την αστροβιολογία, ιδιαίτερα στην κατανόηση της πιθανής κατοικησιμότητας και των βιοϋπογραφών των εξωγήινων περιβαλλόντων.
«Σε κόσμους όπως ο Άρης, ο Εγκέλαδος και η Ευρώπη, όπου οι ενώσεις θείου είναι διαδεδομένες, αυτό θα μπορούσε να ενημερώσει την αναζήτησή μας για ζωή, επισημαίνοντας ανάλογους βιογεωχημικούς κύκλους ή μικροβιακούς μεταβολισμούς», ανέφερε. «Τέτοιες γνώσεις θα μπορούσαν να βελτιώσουν αυτό που ψάχνουμε στις βιοϋπογραφές, βοηθώντας στην ανίχνευση μορφών ζωής που ευδοκιμούν σε πλούσιες σε θείο ή ανάλογες χημικές ουσίες πέρα από τη Γη».
Η νέα μέθοδος
Η ομάδα χρησιμοποίησε μια νέα μέθοδο για να αναλύσει αλληλουχίες αμινοξέων σε όλο το δέντρο της ζωής, μέχρι τον τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο ή LUCA, έναν υποτιθέμενο πληθυσμό οργανισμών που έζησε πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια και αντιπροσωπεύει τον κοινό πρόγονο όλης της ζωής στη Γη σήμερα. Σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες, οι οποίες χρησιμοποιούσαν πλήρους μήκους πρωτεϊνικές αλληλουχίες, η Wehbi και η ομάδα της επικεντρώθηκαν σε πρωτεϊνικούς τομείς, μικρότερες εκτάσεις αμινοξέων. «Αν σκεφτείτε ότι η πρωτεΐνη είναι αυτοκίνητο, ένας τομέας είναι o τροχός», είπε η Wehbi. «Είναι ένα μέρος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλά διαφορετικά αυτοκίνητα και οι τροχοί υπάρχουν πολύ παλιότερα από τα αυτοκίνητα».
Για να αντιμετωπίσουν το ερώτημα πότε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ πιθανότατα στρατολογήθηκε στον γενετικό κώδικα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εργαλεία ανάλυσης στατιστικών δεδομένων, ώστε να συγκρίνουν τον εμπλουτισμό κάθε μεμονωμένου αμινοξέος σε αλληλουχίες πρωτεϊνών που χρονολογούνται από το LUCA, και ακόμη πιο πίσω στον χρόνο. Ένα αμινοξύ που εμφανίζεται κατά προτίμηση σε αρχαίες αλληλουχίες πιθανότατα ενσωματώθηκε νωρίς. Αντίθετα, οι αλληλουχίες του LUCA εξαντλούνται για αμινοξέα που στρατολογήθηκαν αργότερα αλλά έγιναν διαθέσιμα μέχρι τη στιγμή που εμφανίστηκαν λιγότερο αρχαίες αλληλουχίες πρωτεϊνών.
Η ομάδα εντόπισε περισσότερες από 400 οικογένειες ακολουθιών που χρονολογούνται από το LUCA. Περισσότερα από 100 από αυτά προήλθαν ακόμη νωρίτερα και είχαν ήδη διαφοροποιηθεί πριν από το LUCA. Αυτά αποδείχθηκε ότι περιείχαν περισσότερα αμινοξέα με δομές αρωματικού δακτυλίου, όπως η τρυπτοφάνη και η τυροσίνη, παρά το γεγονός ότι αυτά τα αμινοξέα ήταν όψιμες προσθήκες στον κώδικά μας. «Αυτό δίνει υποδείξεις για άλλους γενετικούς κώδικες που ήρθαν πριν από τους δικούς μας και οι οποίοι έκτοτε έχουν εξαφανιστεί στην άβυσσο του γεωλογικού χρόνου», τόνισε ο Masel, καταλήγοντας: «Στην πρώιμη ζωή φαίνεται να άρεσαν τα δαχτυλίδια».
