Ο καθολικός κοινός πρόγονος όλης της ζωής στη Γη

Ο τελευταίος παγκόσμιος κοινός πρόγονος (LUCA) είναι το υποθετικό κοινό προγονικό κύτταρο από το οποίο προήλθαν οι τρεις τομείς της ζωής, τα Βακτήρια, τα Αρχαία και τα Ευκάρια. Το κύτταρο είχε μια λιπιδική διπλοστιβάδα, διέθετε τον γενετικό κώδικα και τα ριβοσώματα που μεταφράζονται από το DNA ή το RNA σε πρωτεΐνες.Η ζωή στη Γη ξεκίνησε μόλις 400 εκατομμύρια χρόνια μετά τον σχηματισμό της.

Μελέτη ρίχνει φως στην προέλευση του γενετικού κώδικα. 

Σχεδόν όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί χρησιμοποιούν τον ίδιο γενετικό κώδικα

Έναν περίπλοκο μηχανισμό με τον οποίο οι γενετικές πληροφορίες μεταφράζονται σε πρωτεΐνες, τα δομικά στοιχεία της ζωής. Μια νέα μελέτη υποδηλώνει ότι η συμβατική σοφία σχετικά με το πώς εξελίχθηκε ο κώδικας είναι πιθανόν εσφαλμένη.

Παρά την ποικιλομορφία που προκαλεί δέος, σχεδόν κάθε μορφή ζωής - από βακτήρια έως μπλε φάλαινες - μοιράζεται τον ίδιο γενετικό κώδικα. Το πώς και πότε δημιουργήθηκε αυτός ο κώδικας έχει αποτελέσει αντικείμενο πολλών επιστημονικών διαφωνιών. Ακολουθώντας μια νέα προσέγγιση σε ένα παλιό πρόβλημα, ο Sawsan Wehbi, διδακτορικός φοιτητής στο Γενετικό Μεταπτυχιακό Διεπιστημονικό Πρόγραμμα στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, ανακάλυψε ισχυρές ενδείξεις ότι η έκδοση του σχολικού βιβλίου για το πώς εξελίχθηκε ο παγκόσμιος γενετικός κώδικας χρειάζεται αναθεώρηση. 

Ο Wehbi είναι ο πρώτος συγγραφέας μιας μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό PNAS και προτείνει τη σειρά με την οποία τα αμινοξέα - τα δομικά στοιχεία του κώδικα -που στρατολογήθηκαν έρχεται σε αντίθεση με αυτό που θεωρείται ευρέως ως η «συναίνεση» της εξέλιξης του γενετικού κώδικα. 

«Ο γενετικός κώδικας είναι αυτό το εκπληκτικό πράγμα στο οποίο μια σειρά DNA ή RNA που περιέχει αλληλουχίες τεσσάρων νουκλεοτιδίων μεταφράζεται σε αλληλουχίες πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας 20 διαφορετικά αμινοξέα», δήλωσε η Joanna Masel, ανώτερη συγγραφέας της εργασίας και καθηγήτρια οικολογίας και εξελικτικής βιολογίας στο U of A. 

«Είναι μια απίστευτα περίπλοκη διαδικασία και ο κώδικάς μας είναι εκπληκτικά καλός. Είναι σχεδόν βέλτιστο για πολλά πράγματα και πρέπει να έχει εξελιχθεί σταδιακά». Η μελέτη αποκάλυψε ότι η πρώιμη ζωή προτιμούσε τα μικρότερα μόρια αμινοξέων από τα μεγαλύτερα και πιο σύνθετα, τα οποία προστέθηκαν αργότερα, ενώ τα αμινοξέα που συνδέονται με τα μέταλλα ενώθηκαν πολύ νωρίτερα από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως. 

Ο σημερινός γενετικός κώδικας πιθανότατα ήρθε μετά από άλλους κώδικες που έκτοτε έχουν εκλείψει

Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι η τρέχουσα 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 των συμβατικών απόψεων 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 πολύτιμη για την απόδειξη ότι η μη ζωντανή ύλη θα μπορούσε να δημιουργήσει δομικά στοιχεία της ζωής, συμπεριλαμβανομένων των αμινοξέων, μέσω απλών χημικών αντιδράσεων, οι επιπτώσεις 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 Dante Lauretta, Regents Professor of Planetary Science and Cosmochemistry στο U of A Lunar and Planetary Laboratory, η πλούσια σε θείο φύση της πρώιμης ζωής προσφέρει πληροφορίες για την αστροβιολογία, ιδιαίτερα στην κατανόηση της πιθανής κατοικιμότητας και των βιουπογραφών εξωγήινων περιβαλλόντων. 

«Σε κόσμους όπως ο Άρης, ο Εγκέλαδος και η Ευρώπη, όπου κυριαρχούν οι ενώσεις θείου, αυτό θα μπορούσε να ενημερώσει 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 ανάλογες χημείες πέρα ​​από τη Γη». 

Ο Λούκα 

Η ομάδα χρησιμοποίησε μια νέα μέθοδο για να αναλύσει αλληλουχίες αμινοξέων σε όλο το δέντρο της ζωής, μέχρι τον τελευταίο παγκόσμιο κοινό πρόγονο, ή LUCA, έναν υποθετικό πληθυσμό οργανισμών που έζησε περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν και αντιπροσωπεύει τον κοινό πρόγονο όλης της ζωή στη Γη σήμερα. 

Σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες, οι οποίες χρησιμοποιούσαν αλληλουχίες πρωτεΐνης πλήρους μήκους, η Wehbi και η ομάδα της εστίασαν σε πρωτεϊνικούς τομείς, μικρότερες εκτάσεις αμινοξέων. «Αν σκέφτεστε ότι η πρωτεΐνη είναι αυτοκίνητο, ένας τομέας είναι σαν τροχός», είπε ο Wehbi. 

«Είναι ένα εξάρτημα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλά διαφορετικά αυτοκίνητα και οι τροχοί υπάρχουν 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 έγιναν διαθέσιμα όταν εμφανίστηκαν λιγότερο αρχαίες πρωτεϊνικές αλληλουχίες.

Η ομάδα αναγνώρισε περισσότερες από 400 οικογένειες ακολουθιών που χρονολογούνται από το LUCA. Περισσότερα από 100 από αυτά δημιουργήθηκαν ακόμη νωρίτερα και είχαν ήδη διαφοροποιηθεί πριν από το LUCA. Αποδείχθηκε ότι αυτά περιέχουν περισσότερα αμινοξέα με δομές αρωματικού δακτυλίου, όπως η τρυπτοφάνη και η τυροσίνη, παρά το γεγονός ότι αυτά τα αμινοξέα ήταν όψιμες προσθήκες στον κώδικά μας. «Αυτό δίνει υποδείξεις για άλλους γενετικούς κώδικες που ήρθαν πριν από τον δικό μας και οι οποίοι έκτοτε εξαφανίστηκαν στην άβυσσο του γεωλογικού χρόνου», είπε ο Masel. «Τα δαχτυλίδια φαίνεται να άρεσαν στην πρώιμη ζωή».

Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα sciencedaily

Sawsan Wehbi, Andrew Wheeler, Benoit Morel, Nandini Manepalli, Bui Quang Minh, Dante S. Lauretta, Joanna Masel. Order of amino acid recruitment into the genetic code resolved by last universal common ancestor’s protein domains. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (52) DOI: 10.1073/pnas.2410311121

https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241212190257.htm

https://www.nature.com/articles/s41559-024-02461-1

https://astrobiology.nasa.gov/news/looking-for-luca-the-last-universal-common-ancestor/

Πανεπιστήμιο της Αριζόνα