Η συμβατική σοφία σχετικά με την εξέλιξη του γενετικού κώδικα, που χρησιμοποιείται από όλους σχεδόν τους ζωντανούς οργανισμούς για τη μετάφραση γενετικών πληροφοριών σε πρωτεΐνες, πολύ πιθανόν να χρειάζεται αναθεώρηση.
Αναλύοντας αρχαίες πρωτεϊνικές αλληλουχίες, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η πρώιμη ζωή χρησιμοποιούσε μικρότερα αμινοξέα και ενσωμάτωνε ενώσεις με βάση το θείο πολύ νωρίτερα από ό,τι πιστεύαμε. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με μακροχρόνια πειράματα και ανοίγει την πόρτα στην πιθανότητα να υπήρχαν γενετικοί κώδικες πριν από τον δικό μας που εξαφανίστηκαν.
Παρά την ποικιλομορφία της ζωής που προκαλεί δέος, σχεδόν όλες οι μορφές ζωής στη Γη, από μικροσκοπικά βακτήρια έως τεράστιες μπλε φάλαινες, μοιράζονται τον ίδιο γενετικό κώδικα. Αλλά το πώς και πότε ακριβώς εμφανίστηκε αυτός ο κώδικας παραμένει θέμα επιστημονικής συζήτησης.
Η Sawsan Wehbi, διδακτορική ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα αποκάλυψε τώρα ισχυρά στοιχεία που αμφισβητούν την ευρέως αποδεκτή άποψη για την εξέλιξη του γενετικού κώδικα. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο PNAS , η Wehbi και η ομάδα της προτείνουν ότι η σειρά με την οποία ενσωματώθηκαν τα αμινοξέα, τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία του γενετικού κώδικα, σε αυτόν, δεν ευθυγραμμίζεται με την επικρατούσα θεωρία της «συναίνεσης» (ένα δομικό μοτίβο που συμβάλλει στη σταθερότητα). Τα ευρήματά τους απαιτούν μια επανεκτίμηση του τρόπου με τον οποίο δημιουργήθηκε το παγκόσμιο σχέδιο της ζωής.
«Ο γενετικός κώδικας είναι αυτή η εκπληκτική δομή στην οποία μια σειρά DNA ή RNA που περιέχει αλληλουχίες τεσσάρων νουκλεοτιδίων μεταφράζεται σε πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας 20 διαφορετικά αμινοξέα», σχολιάζει στο schitechdaily η Joanna Masel, ανώτερη συγγραφέας της μελέτης, καθηγήτρια οικολογίας και εξελικτικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. «Είναι μια απίστευτα περίπλοκη διαδικασία και ο κώδικάς μας είναι εκπληκτικά καλός. Είναι σχεδόν τέλειος και πρέπει να έχει εξελιχθεί σταδιακά».
Η εν λόγω μελέτη αποκάλυψε ότι η πρώιμη ζωή προτιμούσε τα μικρότερα μόρια αμινοξέων από τα μεγαλύτερα και τα πιο σύνθετα, τα οποία προστέθηκαν αργότερα, ενώ τα αμινοξέα που συνδέονται με τα μέταλλα ενώθηκαν πολύ νωρίτερα από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως. Τελικά, η ομάδα ανακάλυψε ότι ο σημερινός γενετικός κώδικας πιθανότατα διαδέχθηκε άλλους κώδικες που έκτοτε έχουν εκλείψει.
Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι η επικρατούσα κατανόηση για το πώς εξελίχθηκε ο κώδικας είναι εσφαλμένη επειδή βασίζεται σε παραπλανητικά εργαστηριακά πειράματα και όχι σε εξελικτικά στοιχεία. Για παράδειγμα, ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της συμβατικής σοφίας για την εξέλιξη του γενετικού κώδικα βασίζεται στο περίφημο πείραμα Urey-Miller του 1952, το οποίο προσπάθησε να προσομοιώσει τις συνθήκες στην πρώιμη Γη που πιθανότατα μαρτυρούσαν την προέλευση της ζωής.
Αν και πολύτιμο για την απόδειξη ότι η μη ζωντανή ύλη θα μπορούσε να δημιουργήσει δομικά στοιχεία της ζωής, συμπεριλαμβανομένων των αμινοξέων, μέσω απλών χημικών αντιδράσεων, τα αποτελέσματα του πειράματος έχουν τεθεί υπό αμφισβήτηση. Για παράδειγμα, δεν απέδωσε αμινοξέα που να 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 της μελέτης Dante Lauretta, καθηγητή πλανητικής επιστήμης και κοσμοχημείας στο Σεληνιακό και Πλανητικό Εργαστήριο του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, αλλά και κύριο ερευνητή στην αποστολή OSIRIS-REx της NASA, η πλούσια σε θείο φύση της πρώιμης ζωής προσφέρει πληροφορίες για την αστροβιολογία, ιδιαίτερα στην κατανόηση της πιθανής κατοικισιμότητας και των βιουπογραφών εξωγήινων περιβαλλόντων.
«Σε κόσμους όπως ο Άρης, ο Εγκέλαδος και η Ευρώπη , όπου κυριαρχούν οι ενώσεις θείου, αυτό θα μπορούσε να ‘φρεσκάρει’ την αναζήτησή μας για ζωή επισημαίνοντας ανάλογους βιογεωχημικούς κύκλους ή μικροβιακούς μεταβολισμούς», είπε. «Τέτοιες ιδέες μπορεί να βελτιώσουν αυτό που αναζητούμε στις βιουπογραφές, βοηθώντας τον εντοπισμό μορφών ζωής που ευδοκιμούν σε πλούσιες σε θείο ή σε ανάλογες χημείες πέρα από τη Γη».
Η ομάδα χρησιμοποίησε μια νέα μέθοδο για να αναλύσει αλληλουχίες αμινοξέων σε όλο το δέντρο της ζωής, μέχρι τον τελευταίο οικουμενικό κοινό πρόγονο, ή LUCA (Last Universal Common Ancestor), έναν υποθετικό πληθυσμό οργανισμών που έζησε περίπου 4,2 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Σύμφωνα με μια πρόσφατη μελέτη στο Nature Ecology and Evolution, το LUCA έμοιαζε με ένα βακτήριο που τρεφόταν με υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα και ίσως ζούσε σε ηλιόλουστα ρηχά νερά. Το LUCA λειτουργεί ως ένας αρχαίος αφηγητής της μεγάλης ιστορίας της ζωής, με τον γενετικό του κώδικα να διατηρεί στοιχεία του παρελθόντος. Καθώς η ζωή διακλαδωνόταν σε διάφορες μορφές, η γενετική κληρονομιά του LUCA παρέμεινε, αφήνοντας πίσω της ένα μοριακό αποτύπωμα που μπορούμε να αποκρυπτογραφήσουμε ακόμη και σήμερα.
Σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες, οι οποίες χρησιμοποιούσαν αλληλουχίες πρωτεΐνης πλήρους μήκους, η Wehbi και η ομάδα της εστίασαν σε πρωτεϊνικούς τομείς, σε μικρότερες αλυσίδες αμινοξέων.
«Αν σκέφτεστε ότι η πρωτεΐνη είναι σαν ένα αυτοκίνητο, ένας τομέας είναι σαν ένας τροχός», είπε η Wehbi. «Είναι ένα εξάρτημα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλά διαφορετικά αυτοκίνητα και που υπάρχει πολύ περισσότερο από τα αυτοκίνητα».
Για να καταλάβουν πότε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ πιθανότατα στρατολογήθηκε στον γενετικό κώδικα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εργαλεία ανάλυσης στατιστικών δεδομένων για να συγκρίνουν τον εμπλουτισμό κάθε μεμονωμένου αμινοξέος σε πρωτεϊνικές αλληλουχίες που χρονολογούνται από το LUCA και ακόμη πιο πίσω στο χρόνο. Ένα αμινοξύ που εμφανίζεται κατά προτίμηση στις αρχαίες αλληλουχίες πιθανότατα ενσωματώθηκε νωρίς. Αντίθετα, οι αλληλουχίες του LUCA εξαντλούνται για αμινοξέα που επιστρατεύτηκαν αργότερα αλλά κατέστησαν διαθέσιμα όταν εμφανίστηκαν λιγότερο αρχαίες πρωτεϊνικές αλληλουχίες.
Η ομάδα αναγνώρισε περισσότερες από 400 οικογένειες ακολουθιών που χρονολογούνται από το LUCA. Περισσότερες από 100 από αυτές δημιουργήθηκαν ακόμη νωρίτερα και είχαν ήδη διαφοροποιηθεί πριν από το LUCA. Αποδείχθηκε ότι αυτές οι πρωτεϊνικές ακολουθίες περιέχουν περισσότερα αμινοξέα με δομές αρωματικού δακτυλίου, όπως η τρυπτοφάνη και η τυροσίνη, παρά το γεγονός ότι αυτά τα αμινοξέα ήταν όψιμες προσθήκες στον γενετικό μας κώδικα.
«Αυτό δίνει υποδεικνύει άλλους γενετικούς κώδικες που προηγήθηκαν του δικού μας και οι οποίοι μετά εξαφανίστηκαν στην άβυσσο του γεωλογικού χρόνου», είπε η Masel. «Φαίνεται ότι στην πρώιμη ζωή άρεσαν τα… δαχτυλίδια».
