Ο Κάρολος Δαρβίνος περιέγραψε την εξέλιξη ως «καταγωγή με τροποποίηση»: Οι γενετικές πληροφορίες με τη μορφή αλληλουχιών DNA αντιγράφονται και μεταβιβάζονται από τη μια γενιά στην άλλη. Αλλά αυτή η διαδικασία πρέπει να είναι κάπως ευέλικτη, επιτρέποντας μικρές παραλλαγές γονιδίων με την πάροδο του χρόνου, από τις οποίες προκύπτουν νέα χαρακτηριστικά στον πληθυσμό.

Πώς όμως ξεκίνησαν όλα αυτά;

Επιστήμονες στη δεκαετία του 1960, πρότειναν ότι στις απαρχές της ζωής, πολύ πριν από τα κύτταρα και τις πρωτεΐνες και το DNA, υπήρχε ο «κόσμος του RNA», όπου μικρά μόρια ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) λειτουργούσαν ως γενετικό υλικό και καταλύτες βιοχημικών αντιδράσεων, ρόλους που σήμερα εκπληρώνουν το DNA και οι πρωτεΐνες, αντίστοιχα. Στην αρχή τα μόρια RNA αντέγραφαν τον εαυτό τους.

Μετά, τα αντίγραφα δημιούργησαν άλλα αντίγραφα και άλλα αντίγραφα, και κατά τη διάρκεια πολλών εκατομμυρίων ετών, το RNA γέννησε DNA και πρωτεΐνες, τα οποία ενώθηκαν για να σχηματίσουν ένα κύτταρο, τη μικρότερη μονάδα ζωής που είναι ικανή να επιβιώσει από μόνη της.

Σήμερα, με ένα επαναστατικό πείραμα, επιστήμονες του Ινστιτούτου Σαλκ στην Καλιφόρνια των Ηνωμένων Πολιτειών αποκαλύπτουν δυνατότητες του RNA που επιτρέπουν την υλοποίηση της δαρβινικής εξέλιξης σε μοριακή κλίμακα και μας φέρνουν πιο κοντά στη δημιουργία ζωής στο εργαστήριο.

Στο πείραμα, τα αποτελέσματα του οποίου δημοσιεύθηκαν στο Proceedings of the National Academy of Sciences στις 4 Μαρτίου, η ερευνητική ομάδα κατάφερε αυτό που μέχρι σήμερα δεν είχε κατορθώσει να πετύχει κανείς άλλος: Κατάφερε ένα μόριο RNA να δημιουργήσει αρκούντως ακριβή και κυρίως λειτουργικά αντίγραφα ενός μικρού καταλυτικού RNA.

Είναι η πρώτη  φορά που επιτυγχάνεται κάτι τέτοιο σε περιβάλλον εργαστηρίου. Αλλά δεν ήταν μόνο αυτό: Κάθε αντίγραφο είχε τη δυνατότητα μικρών αποκλίσεων από το πρωτότυπο. Για να μη διαταραχθεί η ισορροπία που υπάρχει στη φύση, τα αντίγραφα πρέπει να μην απέχουν σημαντικά από το πρωτότυπο. Εάν έχουν πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά τότε έχουν και διαφορετικές – πιθανώς ελαττωματικές – λειτουργίες. Ταυτόχρονα όμως δεν πρέπει να είναι τέλεια αντίγραφα για να μπορούν να προσαρμοστούν στις αλλαγές του περιβάλλοντος.

Δεν είναι απλό

«Ένα τυπικό πείραμα εξέλιξης του RNA in vitro ξεκινάει με ένα τεράστιο πληθυσμό μοναδικών μορίων RNA (συνήθως 10¹⁴ διαφορετικές αλληλουχίες) τα οποία καλούνται να διεκπεραιώσουν μια επιθυμητή λειτουργία, όπως την κατάλυση μιας χημικής αντίδρασης. Τα μόρια που είναι λειτουργικά διαχωρίζονται από τα μη λειτουργικά, αντιγράφονται και δημιουργούν μια νέα γενιά μορίων RNA, η οποία έχει σημαντικά λιγότερες μοναδικές αλληλουχίες από τον αρχικό πληθυσμό. Η νέα γενιά μορίων RNA καλείται να φέρει εις πέρας την ίδια επιθυμητή λειτουργία, αλλά κάτω από πιο δύσκολες συνθήκες, με αποτέλεσμα μόνο ένα μικρό μέρος να είναι λειτουργικά αυτή τη φορά. Αυτά τα μόρια RNA επιλέγονται, αντιγράφονται και δημιουργούν την επόμενη γενιά. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται πολλές φορές μέχρι να φτάσουμε στο επιθυμητό επίπεδο λειτουργικότητας. Η μεγαλύτερη πρόκληση που αντιμετωπίζουμε σε ένα πείραμα εξέλιξης RNA in vitro είναι το ότι δεν γνωρίζουμε εάν όλα πάνε καλά μέχρι να φτάσουμε στο τέλος…», εξηγεί στο Protagon ο Δρ Νίκος Παπασταύρου, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Σαλκ και κύριος συγγραφέας της μελέτης που προέκυψε από το πείραμα.

Στην παραπάνω περίπλοκη διαδικασία πολλά μπορούν να πάνε στραβά: «Το RNA αποτελείται από τέσσερις δομικούς λίθους, την Αδενίνη (Α), την Ουρακίλη (U), τη Γουανίνη (G) και την Κυτοσίνη (C).  Κατά τη διαδικασία αντιγραφής του RNA, η RNA πολυμεράση, το ένζυμο που συνθέτει το RNA, “διαβάζει” και δημιουργεί ζεύγη Α-U και G-C μεταξύ του πρωτοτύπου και του αντιγράφου. Κάποιες φορές, δημιουργούνται λάθος ζεύγη, δηλαδή μεταλλάξεις που αλλάζουν την αλληλουχία του RNA και, στην πλειοψηφία των περιπτώσεων, οδηγούν σε απώλεια της λειτουργικότητάς του».

Η ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου Σάλκ εργαζόταν συνολικά επί δέκα χρόνια για να δημιουργήσει τις διαδοχικές γενιές RNA χωρίς (μοιραία) λάθη:

«Δείξαμε για πρώτη φορά ότι είναι δυνατό να χρησιμοποιήσεις μια RNA πολυμεράση φτιαγμένη εξ ολοκλήρου από RNA στο εργαστήριο και να αντιγράψεις ένα άλλο μικρότερο μόριο RNA, που κόβει RNA σε μικρότερα κομμάτια, αρκετά πιστά για να παραμένει λειτουργικό. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, καθώς σύμφωνα με τη θεωρία ότι η ζωή ξεκίνησε με το RNA, είναι απαραίτητη η ύπαρξη μιας RNA πολυμεράσης που αντιγράφει πιστά τον εαυτό της αλλά και άλλα μόρια RNA. Αυτό είναι και το “Ιερό Δισκοπότηρο” της παραπάνω εξελικτικής θεωρίας» αναφέρει ο κ.Παπασταύρου στο Protagon.

Με τη μοντελοποίηση της πρωτόλειας μορφής ζωής στο εργαστήριο ανοίγει ο δρόμος για να ελεγχθούν υποθέσεις σχετικά με το πώς μπορεί να ξεκίνησε η ζωή στη Γη ή ακόμα και σε άλλους πλανήτες.

Πόσο κοντά βρισκόμαστε;  

Το πιο σημαντικό είναι πως ερχόμαστε πιο κοντά στη δημιουργία ζωής με βάση το RNA στο εργαστήριο. Για να γίνει κάτι τέτοιο, θα πρέπει το μόριο RNA να μπορέσει να αντιγράψει τον εαυτό του.

Όπως εξηγεί ο Νίκος Παπασταύρου, «αυτός είναι πράγματι ο στόχος. Η RNA πολυμεράση που έχουμε αυτή τη στιγμή στα χέρια μας είναι προϊόν εξέλιξης που ξεκίνησε πάνω από 30 χρόνια πριν. Η πρόοδος που έχει σημειωθεί, βέβαια, την τελευταία δεκαετία είναι αλματώδης. Είναι κάτι για το οποίο εργαζόμαστε σταθερά και μεθοδικά και θα μπορούσε, υπό προϋποθέσεις, να συμβεί μέσα στην επόμενη δεκαετία».

Πώς θα γίνει αυτό; Ο δρ Παπασταύρου απαντά: «Βιοχημικά, είναι η ίδια διαδικασία, σύνδεση ριβονουκλεοτιδίων με μια καθορισμένη σειρά. Στην πράξη, όμως, είναι πιο εύκολο να αντιγράψεις μικρότερα μόρια RNΑ, όπως αυτό της παρούσας έρευνας, σε σχέση με μεγαλύτερα μόρια, όπως είναι η RNA πολυμεράση. Ο λόγος είναι ότι κατά τη διάρκεια της αντιγραφής γίνονται λάθη (μεταλλάξεις) και όσο μεγαλύτερο το μόριο RNA που αντιγράφεται, τόσες περισσότερες μεταλλάξεις θα συλλέξει κατά την αντιγραφή. Η RNA πολυμεράση που έχουμε εξελίξει δεν μπορεί ακόμα να αντιγράψει τόσο μεγάλα μόρια αρκετά πιστά ώστε να παραμείνουν λειτουργικά, συμπεριλαμβανομένου και του εαυτού της».

Πόσο σημαντικό θα είναι, αν πετύχει;

Πριν απαντήσει, ο Νίκος Παπασταύρου επισημαίνει ότι εδώ χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή. Εξηγεί: «Ο ορισμός της ζωής που χρησιμοποιούμε είναι ένα σύστημα το οποίο μπορεί να αναπαράγεται και να εξελίσσεται. Στην πράξη, και στην πιο απλουστευμένη εκδοχή αυτού του συστήματος στο εργαστήριο, θα μιλούσαμε για μια RNA πολυμεράση που μπορεί να αντιγράφει τον εαυτό της και άλλα μόρια RNA, τα οποία παίρνουν μέρος σε διάφορες μεταβολικές αντιδράσεις. Και στις δύο περιπτώσεις η αντιγραφή αυτή θα πρέπει να γίνεται αρκετά πιστά, ώστε να διατηρείται η λειτουργικότητα, αλλά ταυτόχρονα και με κάποια λάθη-μεταλλάξεις, έτσι ώστε να είναι δυνατή η εξέλιξη του συστήματος σύμφωνα με τη δαρβινική θεωρία. Μόρια με ωφέλιμες μεταλλάξεις θα επικρατήσουν και μόρια με επιβλαβείς μεταλλάξεις θα αφανιστούν.

»Εάν καταφέρουμε να το κάνουμε αυτό στο εργαστήριο, τότε μπορούμε να αλλάζουμε τις συνθήκες και να βλέπουμε πώς ανταποκρίνεται το σύστημα και πώς προχωρά η εξέλιξη. Είναι δυνατόν, δηλαδή, να μελετήσουμε και να κατανοήσουμε τις βασικές αρχές μου διέπουν την εξέλιξη. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, όχι μόνο θα έχουμε έναν επιστημονικά πιθανό τρόπο με τον οποίο ξεκίνησε η ζωή στη Γη ή εκτός αυτής, αλλά κυρίως θα είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε το γιατί εξελίχθηκε κατά αυτόν τον τρόπο».

Με άλλα λόγια, όπως είχε πει ο θεωρητικός φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν, ό,τι μπορείς να δημιουργήσεις, μπορείς και να το κατανοήσεις.

Ακολουθήστε το Protagon στο Google News