השאלה כיצד התפתחו לראשונה החיים על כדור הארץ היא שאלה שבני האדם שואלים את עצמם מאז ומעולם. למרות שמדענים בטוחים יחסית במתרחש, לא הייתה תשובה מוחלטת מדוע זה קרה. כיצד התאגדו חומצות האמינו, אבני הבניין הכימיות של החיים, לפני כארבעה מיליארד שנה ליצירת מולקולות החלבון הראשונות?
בעוד שאלה זו אינה מענה, מדענים מגלים תגליות חדשות שיכולות לעזור לצמצם אותה. לדוגמא, צוות חוקרים מהמרכז להתפתחות כימית של מכון ג'ורג'יה (CCT) ביצע לאחרונה מחקר שהראה כיצד כמה מקודמי המפתח הקדומים של מולקולת החלבון עשויים להתחבר באופן ספונטני ליצירת שרשרת.
המחקר הופיע לאחרונה ב- הליכי האקדמיה הלאומית למדעים. המחקר הובל על ידי ד"ר מורן פרנקל-פינטר מג'ורג'יה טק וכלל מספר חוקרים מטעם ה- CCT - הנתמך על ידי נאס"א והקרן הלאומית למדע (NSF) - בסיועו של ד"ר לוק למן ועוזר פרופסור לכימיה ב- סקריפס מחקר, מכון מחקר רפואי ללא מטרות רווח.
במשך עשרות שנים היו בידי מדענים תיאוריות לגבי האופן שבו חומצות האמינו הראשונות התאגדו ויצרו מולקולות חלבון. לרוע המזל, כל הניסיונות לאמת תיאוריות אלה נכשלו עד כה. כפי שהסביר ד"ר למן:
"כיצד הכימיה הובילה לחיים מורכבים היא אחת השאלות המרתקות ביותר שאליה התלבט האנושות. יש הרבה תיאוריות לגבי מקורם של חלבונים, אבל לא כל כך הרבה תמיכה ניסיונית במעבדה לרעיונות האלה. "
לצורך המחקר, צוות המחקר ערך ניסוי בו הוצבו מבחר קטן של חומצות אמינו (ליזין, ארגינין והיסטידין) יחד עם שלוש חומצות אמינו מתחרות שאינן ביולוגיות. החומצות הוטלו אז בתנאים דומים למה שמאמינים כי היו בכדור הארץ במהלך איון הדאן (לפני כ -4 מיליארד שנים).
זה כלל להכניס את חומצות האמינו הנבחרות למים המכילים חומצות הידרוקסיות, שידועות כמקלות על תגובות חומצות אמיניות והיו נפוצות בכדור הארץ הפרה-ביוטי. התערובת התחממה אז ל 85 °ג '(185 °F) שהאיץ את תהליך התגובה וגרם למים להתאדות. לאחר מכן נבדקו התגובות הכימיות שהתקבלו.
להפתעתם, חומצות האמיניות הביולוגיות נוצרו באופן ספונטני לקטעים מסודרים המקושרים זה לזה באמצעות קבוצות? -מין. קבוצות אלה הן אלה העשויות חנקן ומימן והן די תגוביות. עם זאת, הם גם חלק מליבתן של חומצות אמינו ואמינים אחרים היוצרים שרשראות צד המשתרעות מהליבה (ששימשו בניסוי זה) מגיבים לעיתים קרובות יותר. פרנקל-פינטר אמרה:
"זה הפתיע אותנו שכימיה זו העדיפה את הקשר? -מין שנמצא בחלבונים, למרות שעקרונות כימיים עשויים לגרום לנו להאמין כי החיבור הלא-חלבוני יועדף. ההעדפה לקישור הדומה לחלבון על פני שאינם חלבון הייתה בערך שבע לאחד. "
הפתעה נוספת הייתה העובדה שחומצות האמינו הביולוגיות מכות את הלא-ביולוגיות מבחינת תגובתיות. החומצות האחרונות, שאינן נמצאות כיום בחלבונים, היו בעלות פוטנציאל להגיב כימית באותה מידה (או טוב יותר) מהביולוגיות. יתר על כן, הצוות ציפה כי הכללתן של חומצות אלה תתן לביולוגיות ריצה לכספם ואף עלולה להוביל ל
עם זאת, התגובות גרמו לרוב להיווצרות פפטידים (שני אבני בניין של חומצות אמינו או יותר המקושרות זו לזו) שהיו קרובים יותר לחלבונים האמיתיים של היום. בפרט, החוקרים חשבו כי חומצות האמינו הלא-ביולוגיות יעלו על תוצאות חומצת האמינו הביולוגית הידועה בשם ליזין וכי ליזין לא תוכל ליצור שרשראות באופן מהימן.
בשני המקרים הם טעו ובמקום זאת גילו שהליזין בעיקר נכנס לשרשראות באופן שהוא דומה למה שקורה לחלבונים כיום. מכאן, ההשערה הצוות כי שרשראות חומצות אמינו טרופות המועילות במערכות חיות התפתחו לפני שהחיים מצאו דרך לייצר חלבונים.
העובדה שהניסוי שלהם הראה כי עדיפות על חומצות אמינו ביולוגיות על פני לא-ביולוגיות עשויה גם להציע תובנה חדשה מדוע רק 20 חומצות אמינו נכנסו להיווצרות החיים. מדענים מאמינים כי היו מעל 500 חומצות טבעיות שנמצאו על פני כדור הארץ במהלך איון הדאן. כפי שמסבירים לורן וויליאמס, פרופסור לביוכימיה בג'ורג'יה טק
"הרעיון שלנו הוא שהחיים התחילו עם אבני הבניין הרבות שהיו שם ובחרו תת-קבוצה מהן, אבל אנחנו לא יודעים כמה נבחר על בסיס כימיה טהורה או כמה תהליכים ביולוגיים ביצעו הבחירה. כשמסתכלים על מחקר זה נראה כי הביולוגיה של ימינו עשויה לשקף את התגובות הכימיות המוקדמות הפרביוטיות הללו יותר ממה שחשבנו. "
"בכדור הארץ הפרה-ביוטי הייתה קבוצה גדולה הרבה יותר של חומצות אמינו. האם יש משהו מיוחד ב -20 חומצות האמינו האלה, או שהאם אלה פשוט הוקפאו ברגע בזמן על ידי האבולוציה? " בקצרה, הניסוי מרמז כי סביר יותר כי סוגים של חומצות אמינו המשמשות בחלבונים קשורים זה לזה מכיוון שהם מגיבים יחד בצורה יעילה יותר ויש להם מעט תגובות לוואי לא יעילות.
בקצרה, הניסוי מרמז כי סביר יותר כי סוגים של חומצות אמינו המשמשות בחלבונים קשורים זה לזה מכיוון שהם מגיבים יחד בצורה יעילה יותר ויש להם מעט תגובות לוואי לא יעילות. זה גם נותן אמינות נוספת לתיאוריה שרוב הפולימרים הביולוגיים נוצרים במחזורים רטובים ויבשים, וזה דבר שחוקרי ה- CCT
תיאוריה זו, הקובעת כי החלבונים הראשונים התרחשו על דירות עפר סחופות בגשם או על סלעי שפת שפת ים, הם בקנה אחד עם הנרטיב הקונבנציונלי יותר שאבני הבניין של החיים מסתמכים על אירועים נדירים וקטלימיים, כמו גם מרכיבים רבים ב כדי לצאת. על ידי הצגת שזה עשוי להיות תהליך הרבה יותר פשוט, מחקר זה יכול לקרב אותנו צעד אחד קרוב יותר לפתיחת התעלומה הישנה הזו.
יכולות להיות לכך השלכות גם בחיפוש אחר חיים מעבר לכדור הארץ. אם אבני הבניין של החיים מגיבים באופן טבעי ונמשכים זה לזה, סביר להניח שהוא מגדיל את הסיכויים שתגובות כימיות דומות התרחשו במקום אחר ביקום!
