A Szent István Egyetem 1. évfolyamos biológus (BSc) hallgatói tudományos ismeretterjesztő írás elkészítését kapták feladatul egyik múzeumi munkatársunktól. A legjobban sikerült munkákat blogunkon is közzétesszük. E sorozat részeként Mikulecz Benjámin Áron blogunkon szokatlan témájú, de az élet eredetének érdekes kérdéseit feszegető írását olvashatjuk.

Írta: Mikulecz Benjámin Áron, Állatorvostudományi Egyetem, biológus BSc 1. évf.

A DNS másolása nem pontos folyamat. Nem is lenne jó, ha az lenne, hiszen a természetes szelekció által az evolúció csak akkor tud hatni, ha a szaporodás és az öröklődés („A” szekvencia alapján rendszerint „A”, „B” szekvencia alapján rendszerint „B” jön létre) mellett a változékonyság („B”-ből olykor „D” jön létre) is jellemzi entitásunkat. E három tulajdonsággal kell rendelkezniük az evolúció egységeinek. Az élet eredetének kutatóit mégis egy olyan probléma akadályozta évtizedekig, amelyben a túl sok mutáció jelenti a gondot.

Az Eigen-paradoxon

Manapság szinte minden organizmus genetikai információját („receptjét”) DNS tárolja, sejtszintű életműködéseiket pedig – melyek tulajdonképpen olyan kémiai reakciók, amelyek egy összetett hálózatba (anyagcsere) szerveződnek – fehérjealapú enzimek segítik. Ha csak azt a folyamatot nézzük, melyben a DNS információja RNS-re másolódik (transzkripció) máris egy sor, bonyolult felépítésű enzimre van szükségünk, nem beszélve azokról az enzimekről (és RNS-ekről), amelyek a transzkripciót segítő enzimeket készítik el. Képtelenség, hogy ekkora mennyiségű és bonyolultságú fehérje spontán, egyszerre jelent volna meg az élet korai evolúciója során.

Néhány organizmus mutációs rátája (mutáció / bázis / generáció) ( A szerző ábrája John Drake és mtsai. (1998,) valamint Kun Ádám (2016.11.19.) nyomán)

Visszatérve a DNS másolására, elengedhetetlen legalább egy hibátlan szekvencia szintézise másolásonként, mert enélkül elvész a hordozott információ. Így a mutációs rátának (1. ábra), vagy ha ez adott, akkor pedig a genom méretének lesz egy maximuma, mely fölött a hibás üzenetek terjednek el. Ezt a maximumot hibaküszöbnek nevezzük. Az 1. ábrán szereplő élőlények (és vírusok), mint ma minden élőlény (és vírus), valamilyen formában fehérje alapú enzimrendszert használ. Enzimek nélkül a hibaküszöb akkora, hogy maximálisan a genomméret kb. 100 bázisnyi lehet. Ez nemhogy sok, bonyolult fehérje kódolására, még egy darab, „futott még” fehérje kódolására sem elegendő.

Észrevettük már a tyúkot? Esetleg a tojást? Elég bonyolult enzimapparátus nélkül meglehetősen csekély méretű genom tartható fenn, ahhoz mindenféleképpen csekély, hogy elég bonyolult enzimapparátust kódolhasson. Ez az Eigen-paradoxon.

Egy letűnt világ követei

Ha visszaemlékszünk, a DNS és a fehérjék mellett egy harmadik molekulaféleségről is szót ejtettünk. Ez az RNS. Rá azért van szükség, mivel a fehérjekészítő apparátus (a riboszóma) nem „érti” közvetlenül a DNS-t, ezért arról egy RNS kópiát (ha úgy tetszik, egy .TEMP fájlt) kell előbb készíteni, amely „formátumot” a riboszóma már munkába tudja venni. Ez a kópia az mRNS (messenger RNS). Ha már szóba került a riboszóma, az ő alegységeinek felépítésében fehérjék mellett rRNS-ek (riboszomális RNS) is részt vesznek, mi több, 2002 óta azt is tudjuk, hogy a szintézis során a peptidil-transzfert az RNS komponens végzi. E szintézishez egyébként tRNS-ek (transzfer RNS) szállítják az aminosavakat. Az anyagcsere legfontosabb koenzimeiben (pl. ATP) is RNS építőköveket találunk.

DNS, RNS és fehérje szerkezete (Forrás: Zephyris (Richard Wheeler), Wikipedia)

Már az 1960-as években felvetették, hogy szerkezetükből adódóan az RNS molekulák is ugyanúgy viselkedhetnek enzimekként, akár a fehérjék, hiszen − a DNS közismert kettős hélixével ellentétben − változatos harmadlagos szerkezeteket tudnak kialakítani, amely úgy következik a bázissorrendből, ahogy a fehérjéké az aminosav-sorrendből (2. ábra). Bő két évtizednyi tetszhalál után, a ’80-as évek végén szárba szökött az ötlet. Azóta sok-sok RNS-enzimet (ribozimet) találtak már a mai élőlényekben (pl. hajtű ribozim, Neurospora Varkud szatellita ribozim). Habár ezek működése nem túl sokszínű (RNS molekulát hasítanak), kémcsőben evolvált ribozimek változatossága arra utal, hogy akár egy egész anyagcserét képesek lennének működtetni.

Ha számba vesszük azt is, hogy bizonyos vírusok, például a humán immundeficiencia vírus (HIV), RNS genomot használnak, elképzelhetünk egy „letűnt világot”, amelyben a genetikai információhordozók és az enzimek szerepét is RNS molekulák látták el.

Az RNS-világ

A bioszféra egy ilyen állapotára vonatkozó feltevések az 1970-es évek legvégén és a ’80-as években láttak napvilágot. Amellett, hogy nyilvánvalóan sok problémát felvet e „világ” feltételezése, jó párat meg is old: például akkoriban az információ másolásáért és az enzimek előállításáért ugyanaz a folyamat – az RNS másolás – felelt. Felvetett problémára pedig eklatáns példa, hogy nagyon nehezen megy egy hatékony, replikáz funkciójú ribozim előállítása.

De vajon – mert per pillanat minket ez érdekel a legjobban – segít-e feloldani az Eigen-paradoxont? Mint láttuk, a ribozimek szerkezetük miatt tölthetnek be enzimfunkciót. Kutatások szerint „több szekvencia is azonos szerkezetet vesz fel”, tehát a bázissorrend addig büntetlenül mutálódhat, amíg a mutációk nem befolyásolják a molekula alakját. Így magasabb lesz a hibaküszöbünk. Ezt a kitolt értéket fenotipikus hibaküszöbnek hívjuk, ami egyes mai élőlények által használt ribozimekre egy nagyságrenddel (!) magasabb, mint a „genotipikus” hibaküszöb. További számítások azt mutatják, hogy egy replikáz funkciójú ribozim elég pontos lehet, hogy önmagáról hatékonyan másolatokat készítsen. Ezen eredmények tükrében kijelenthetjük, hogy az RNS-világ jócskán közelebb viszi a korai élet kutatóit ahhoz, hogy megszabaduljanak az Eigen-paradoxon láncaitól.

S hogy milyennek képzeljük el ezt a világot? Mint szabadon vagy ásványi felszínekhez kötötten folyton saját magukat másoló, versengő nukleotid szekvenciákat szerteszét az ősóceánban? Esetleg, mint az első, egyszerű élő rendszerek vagy bonyolult működésű, RNS alapú sejtek által uralt Földet? Hogyan jött létre, és hogyan fejlődött tovább? Ezek mind remek kérdések, amelyek minél pontosabb megválaszolásán jelenleg is sokan, sokat dolgoznak.

Források:

DRAKE, JOHN W.; CHARLESWORTH, B.; CHARLESWORTH, D.; CROW, J. F.; 1998: Rates of Spontaneous Mutation. Genetics, 148. p. 1667–1686.

KUN ÁDÁM, 2010: Az RNS-világ és a hibaküszöb. Magyar Tudomány, 171. 4. p. 388-395.

KUN ÁDÁM, 2011: Az RNS-világ. Természet Világa, 142. 10. p. 455-456.

KUN ÁDÁM, 2016.11.19.: A baktériumok mutációs rátája alacsonyabb, mint az eukariótáké. [Online]. http://kunadam.blogspot.hu/2016/11/a-bakteriumok-mutacios-ratja.html [2017.04.23.]

SZATHMÁRY EÖRS, 2003: Az élet keletkezése. Magyar Tudomány, 48. (109.) 10. p. 1220-1247.

SZATHMÁRY EÖRS, JOHN MAYNARD SMITH, 2012: A földi élet regénye. A földi élet születésétől a nyelv kialakulásáig. Második, bővített kiadás. Budapest, Akadémia Kiadó.