Rozluštění tajemství původu života: Vědci odhalují, jak se mohly replikovat stavební kameny života

7. 10. 2024 (mai) - Výzkumníci objevili věrohodné evoluční prostředí, ve kterém by se nukleové kyseliny – základní genetické stavební kameny života – mohly samy replikovat a potenciálně dát vzniknout životu na Zemi. Přesně tak určili řadu geologických reakčních podmínek, které mohly podnítit vznik života na Zemi.

Studie, publikovaná jako Reviewed Preprint in eLife , byla editory popsána jako důležitá práce s přesvědčivými důkazy, které ukazují, jak jednoduché geofyzikální nastavení proudění plynu přes úzký kanál vody může vytvořit fyzické prostředí, které vede k replikaci nukleových kyselin. Práce bude zajímavá pro vědce zabývající se původem života a v širším měřítku o nukleových kyselinách a diagnostických aplikacích.

Vznik života na Zemi je stále nevyřešenou hádankou, ale běžnou teorií je, že replikace genetického materiálu – nukleových kyselin DNA a RNA – byla ústředním a kritickým procesem. Molekuly RNA mohou uchovávat genetickou informaci a katalyzovat svou vlastní replikaci vytvářením dvouvláknových šroubovic.

Kombinace těchto schopností jim umožňuje mutovat, vyvíjet se a adaptovat se na různá prostředí a nakonec zakódovat proteinové stavební kameny života. Aby k tomu došlo, vlákna RNA se musí nejen replikovat do dvouvláknové formy, ale také se znovu oddělit, aby se dokončil replikační cyklus. Separace vláken je však obtížným úkolem při vysokých koncentracích solí a nukleových kyselin nutných pro replikaci.

"Byly studovány různé mechanismy pro jejich potenciál oddělit vlákna DNA při vzniku života, ale všechny vyžadují teplotní změny, které by vedly k degradaci nukleových kyselin," říká vedoucí autor Philipp Schwintek, doktorand v oboru biofyzika systémů na Ludwig- Maximilians-Universität München, Mnichov, Německo. "Zkoumali jsme jednoduchý a všudypřítomný geologický scénář, kde byl pohyb vody skrz skalní pór vysušen plynem prosakujícím skrz skálu, aby se dostal na povrch. Takové prostředí by bylo velmi běžné na vulkanických ostrovech na rané Zemi, které nabízely nezbytné suché podmínky pro syntézu RNA.

Tým vytvořil laboratorní model horninového póru s vzestupným tokem vody, který se vypařuje v průsečíku s kolmým tokem plynu, což vede k akumulaci molekul rozpuštěného plynu na povrchu. Současně tok plynu indukuje kruhové proudy ve vodě, které tlačí molekuly zpět do objemu. Aby pochopili, jak by tento model ovlivnil nukleové kyseliny v prostředí, použili kuličky ke sledování dynamiky vodního toku a poté sledovali pohyb fluorescenčně značených krátkých fragmentů DNA.

"Naše očekávání bylo, že nepřetržité odpařování povede k akumulaci řetězců DNA na rozhraní," říká Schwintek. "Skutečně jsme zjistili, že voda se na rozhraní kontinuálně odpařovala, ale nukleové kyseliny ve vodné ploše se hromadily poblíž rozhraní plyn/voda." Během pěti minut od zahájení experimentu došlo k trojnásobné akumulaci řetězců DNA, zatímco po hodině bylo na rozhraní nahromaděno 30krát více řetězců DNA.

Ačkoli to naznačuje, že rozhraní plyn/voda umožňuje dostatečnou koncentraci nukleových kyselin pro replikaci, je také nutná separace dvojitých řetězců DNA. Obvykle je nutná změna teploty, ale když je teplota konstantní, jsou nutné změny koncentrace soli.

"Předpokládali jsme, že kruhové proudění tekutiny na rozhraní poskytovaném tokem plynu, spolu s pasivní difúzí, povede k separaci vláken tím, že protlačí nukleové kyseliny oblastmi s různou koncentrací soli," vysvětluje hlavní autor Dieter Braun, profesor systémové biofyziky na Ludwig-Maximilians-Universität München.

Aby to otestovali, použili metodu zvanou FRET spektroskopie k měření separace řetězců DNA – vysoký signál FRET ukazuje, že řetězce DNA jsou stále navázány, zatímco nízký FRET znamená, že řetězce jsou odděleny. Jak se očekávalo, signál FRET se zpočátku zvýšil v blízkosti rozhraní plyn-voda, což ukazuje na tvorbu dvouvláknové DNA. Ale v průběhu experimentu, kde docházelo k proudění vody směrem nahoru, byl signál FRET nízký – indikoval jednovláknovou DNA. Navíc, když tato data překryli svou simulací proudění vody a koncentrací solí, zjistili, že vír na rozhraní plyn-voda způsobil změny až trojnásobné zvýšení koncentrace soli, které je potenciálně schopné řídit separaci pramenů.

Přestože se nukleové kyseliny a soli akumulovaly v blízkosti rozhraní plyn-voda, v převážné části vody zůstaly koncentrace soli a nukleových kyselin mizející nízké. To přimělo tým otestovat, zda by replikace nukleových kyselin mohla v tomto prostředí skutečně nastat, přidáním nukleových kyselin značených fluorescenčním barvivem a enzymem, který dokáže syntetizovat dvouvláknovou DNA do laboratorního modelu horninového póru. Na rozdíl od normálních laboratorních reakcí syntézy DNA byla teplota udržována na konstantní teplotě a reakce byla místo toho vystavena kombinovanému přítoku vody a plynu.

Po dvou hodinách se fluorescenční signál zvýšil, což ukazuje na zvýšený počet replikovaných molekul dvouvláknové DNA. Přesto, když byl přítok plynu a vody vypnut, nebyl pozorován žádný nárůst fluorescenčních signálů, a proto nebyl pozorován žádný nárůst dvouřetězcové DNA.

"V této práci jsme zkoumali věrohodné a bohaté geologické prostředí, které by mohlo spustit replikaci raného života," uzavírá Braun. "Uvažovali jsme o nastavení plynu proudícího přes otevřený skalní pór naplněný vodou, bez jakékoli změny teploty, a zjistili jsme, že kombinovaný proud plynu a vody může vyvolat fluktuace soli, které podporují replikaci DNA. Protože se jedná o velmi jednoduchou geometrii, naše zjištění značně rozšiřují repertoár potenciálních prostředí, která by mohla umožnit replikaci na raných planetách.

Odkaz: "Prostředí s tokem prebiotického plynu umožňuje izotermickou replikaci nukleové kyseliny" od Philippa Schwinteka, Emre Erena, Christofa Masta a Dietera Brauna, 1. října 2024, eLife

DOI: 10.7554/eLife.100152.1

- mai