הביצה והתרנגולת הקוסמית: כימאים טוענים שפתרו את חידת מוצא החיים הגדולה מכולן
- גור זיו
- 9 בספט׳
- זמן קריאה 5 דקות
עודכן: 14 בספט׳
חידת מוצא החיים הגדולה ביותר: מה הגיע קודם, חלבונים או דנ"א? הרי צריך חלבונים כדי לבנות חלבונים על פי הוראות הדנ"א. אז איך נוצר החלבון הראשון?! מדענים בבריטניה מאמינים שמצאו את התשובה, והיא מסתתרת במולקולה פשוטה מבוססת גופרית שהייתה קיימת על כדור הארץ הקדום. במחקר חדש ומהפכני, הם הצליחו לשחזר במעבדה את שני השלבים הראשונים של ייצור חלבונים - ללא שימוש באנזימים כלל. האם זו ההוכחה שחידת מוצא החיים קרובה לפתרון?
בליבת כל יצור חי על פני כדור הארץ, מהחיידק הזעיר ביותר ועד הלווייתן הכחול, מתקיים ריקוד עתיק ומורכב, שותפות כה הדוקה עד שנדמה כי הייתה שם מאז ומעולם. זהו הריקוד בין חומצות גרעין (דנ"א ו-רנ"א) לחלבונים. הרנ"א, בדומה לתוכנת מחשב, נושא את המידע, את הוראות ההפעלה המדויקות של החיים. החלבונים, לעומת זאת, הם הפועלים, המכונות המולקולריות שמבצעות את העבודה - בונות תאים, מפרקות מזון, נלחמות בזיהומים ומניעות כל תהליך ביולוגי שניתן להעלות על הדעת. השותפות הזו היא הבסיס לחיים כפי שאנו מכירים אותם, אך היא גם מציבה בפני המדע את הפרדוקס הגדול והמטריד ביותר שלו, חידת "הביצה והתרנגולת" האולטימטיבית: מה הגיע קודם?
הבעיה היא זו: כדי לבנות חלבון, התא זקוק למערך מורכב של אנזימים - שהם בעצמם חלבונים - כדי לקרוא את הוראות הרנ"א ולחבר יחד את חומצות האמינו, אבני היסוד של החלבונים. אך אם צריך חלבונים כדי לבנות חלבונים, כיצד נוצר החלבון הראשון אי פעם? זוהי לולאת סיבתיות שנראית בלתי אפשרית, פרדוקס שהעסיק מדענים במשך עשרות שנים והיווה את אחד החורים השחורים הגדולים ביותר בהבנתנו את מוצא החיים. כעת, במחקר פורץ דרך שפורסם בכתב העת היוקרתי Nature, צוות חוקרים מיוניברסיטי קולג' לונדון (UCL) מציג פתרון כימי אלגנטי להפליא לפרדוקס הזה. הם לא רק מציעים תיאוריה, אלא מדגימים במעבדה, צעד אחר צעד, כיצד הריקוד בין רנ"א לחלבונים יכול היה להתחיל באופן ספונטני במים, בתנאים ששררו על פני כדור הארץ הקדום, וללא כל צורך באנזימים.
הסיפור מתחיל ב"מרק הקדמוני", אותם אגמים ובריכות חמימים שעל פי הסברה היו ערש החיים לפני כארבעה מיליארד שנים. אנו יודעים שהסביבה הזו הייתה עשירה באבני היסוד הבסיסיות של החיים - חומצות אמינו ונוקלאוטידים (אבני היסוד של רנ"א), שנוצרו בתהליכים כימיים פשוטים או הגיעו לכדור הארץ באמצעות מטאוריטים. הבעיה היא שערבוב סתמי של המרכיבים הללו במים לא מוביל לחיים, אלא לכאוס. ניסיונות קודמים לשחזר במעבדה את השלב הראשון והקריטי ביותר בייצור חלבונים - הצמדת חומצת אמינו למולקולת רנ"א (תהליך המכונה אמינואצילציה של רנ"א) - נתקלו במכשול עצום. כדי להצמיד חומצת אמינו לרנ"א, יש להפעיל אותה כימית, להפוך אותה לריאקטיבית. אך כל המולקולות המפעילות שנוסו בעבר היו ריאקטיביות מדי. הן גרמו לחומצות האמינו להיקשר לא רק לרנ"א, אלא בעיקר זו לזו, וליצור שרשראות חלבון קצרות ואקראיות (פפטידים), עוד לפני שהספיקו בכלל לפגוש מולקולת רנ"א. זהו רעש כימי שמפריע ליצירת הסדר הדרוש לחיים. היה ברור שדרוש מנגנון עדין ומדויק יותר.
כאן נכנס לתמונה צוות החוקרים, בהובלתם של ג'יוטי סינג (Jyoti Singh) ופרופ' מתיו וו. פאונר (Matthew W. Powner), מומחה בעל שם עולמי בכימיה של מוצא החיים. במקום לחפש מולקולות מפעילות אקזוטיות, הם שאבו השראה מהביולוגיה עצמה. הם שמו לב שבמטבוליזם המודרני, תהליכים רבים של העברת אנרגיה ובנייה מולקולרית אינם מתבצעים על ידי המולקולות ה"נפיצות" שנוסו בעבר, אלא על ידי משפחה של תרכובות צנועות ויציבות יותר המבוססות על גופרית: תיואסטרים (Thioesters). מולקולות אלו, ובמיוחד הקואנזים A, הן "מטבע האנרגיה" של התא במשימות רבות. פאונר וצוותו שיערו שאולי הטבע רומז להם על הפתרון. אולי תיואסטרים היו המפתח גם בראשית הדרך. "המעבר מכימיה לביולוגיה הוא אחת הבעיות הבלתי פתורות הגדולות ביותר במדע", אמר פאונר בראיון לאגודה המלכותית לכימיה, בהתייחסו למטרת העל של מחקריו. "המחקר שלנו שואף לחבר יחד את חלקי הפאזל של האופן שבו אבני היסוד הבסיסיות של החיים יכלו להיווצר ולהתחיל לעבוד יחד על פני כדור הארץ הקדום".
הם החלו בניסוי פשוט אך מכריע. הם לקחו חומצת אמינו שהופעלה באמצעות תיואסטר, והוסיפו אותה לתמיסה מימית המכילה מולקולות רנ"א. התוצאה הייתה בדיוק מה שהם קיוו לו. התיואסטר התגלה כמולקולה "חכמה" להפליא. הוא היה מספיק ריאקטיבי כדי להצמיד את חומצת האמינו ביעילות ובסלקטיביות לנקודה הנכונה במולקולת הרנ"א, אך הוא היה "עצלן" מכדי לגרום לחומצות האמינו להיקשר זו לזו. התגובה הלא רצויה של יצירת שרשראות אקראיות דוכאה כמעט לחלוטין. זו הייתה פריצת דרך: נמצא המנגנון הכימי המושלם לשלב הראשון של ייצור חלבונים, כזה שפועל במים, בטמפרטורת החדר, ובלי אנזימים. יתרה מכך, התהליך עבד עבור 14 חומצות אמינו שונות, כולל כאלה בעלות תכונות כימיות מורכבות, מה שמראה שזוהי שיטה כללית ולא מקרה פרטי.
אבל זה היה רק חצי מהסיפור. כעת, כשיש להם מולקולת רנ"א "טעונה" בחומצת אמינו, הם היו צריכים למצוא דרך לגרום לחומצת האמינו הזו להיקשר לחומצת אמינו הבאה, וליצור את הקשר הפפטידי - הצעד הראשון בבניית חלבון. גם כאן, הפתרון היה כימי ואלגנטי. החוקרים גילו שהם יכולים "להדליק מתג" מולקולרי. על ידי הוספת מולקולה פשוטה אחרת המבוססת על גופרית, חומצת תיואצטיל (Thioacetic acid), הם שינו את כללי המשחק. חומצת התיואצטיל הפעילה את חומצת האמינו הבאה בתור באופן שגרם לה להעדיף באופן מובהק התקשרות עם חומצת האמינו שכבר הייתה טעונה על הרנ"א. כך, צעד אחר צעד, הם הצליחו לבנות שרשרת קצרה של חלבון (פפטיד), כשהיא עדיין מחוברת למולקולת הרנ"א המקורית.
המשמעות של התגלית הכפולה הזו היא עצומה. הצוות של פאונר לא רק מצא פתרון לשלב אחד, אלא הציג מערכת כימית שלמה בת שני שלבים, המדמה באופן מדויק להפליא את שני השלבים המרכזיים של ייצור חלבונים ביולוגי:
טעינה סלקטיבית: שימוש בתיואסטרים כדי להצמיד חומצות אמינו לרנ"א באופן מבוקר.
בניית שרשרת: שימוש בחומצות תיואצטיל כדי לחבר את חומצות האמינו הטעונות זו לזו וליצור פפטיד.
זוהי הפעם הראשונה שהמדע מצליח להדגים כיצד שני התהליכים הללו יכולים להתרחש באותה "כוס כימית", באותם תנאים מימיים, ובאופן מבוקר לחלוטין, ללא כל התערבות של אנזימים. זהו מסלול כימי רציף ובר-קיימא המגשר על הפער העצום שבין מרק דומם של מולקולות פשוטות לבין ראשיתה של מכונת ייצור החלבונים המורכבת. יתרה מכך, החוקרים הראו גם כיצד התיואסטרים עצמם יכלו להיווצר בתנאים פרה-ביוטיים, מחומרים פשוטים עוד יותר כמו ניטרילים, במיוחד בסביבות של אגמים קפואים ועשירים בפוספטים, כפי שמשערים שהתקיימו על פני כדור הארץ הקדום.
המחקר הזה אינו טוען שמצא את התשובה הסופית והמוחלטת לחידת מוצא החיים. הדרך מיצירת פפטיד קצר על גבי רנ"א ועד להופעתו של הריבוזום - המפעל המולקולרי המורכב שמייצר את כל החלבונים בתאינו - עודנה ארוכה ומלאת שאלות פתוחות. אך הוא מספק את החתיכה החסרה והחשובה ביותר בפאזל. הוא מראה שהפתרון לפרדוקס "הביצה והתרנגולת" אינו דורש התערבות אלוהית או צירוף מקרים קוסמי בלתי סביר, אלא יכול לנבוע באופן טבעי מחוקי הכימיה, תוך שימוש במולקולות פשוטות מבוססות גופרית שהיו, ככל הנראה, נפוצות בעולמנו הצעיר. זהו צעד ענק קדימה בהבנתנו את המעבר המופלא מכימיה דוממת לביולוגיה פועמת, והוא מצייר תמונה שבה הריקוד הראשון בין מידע לתפקוד, בין רנ"א לחלבון, החל לא בפיצוץ של מורכבות, אלא בצעדים כימיים קטנים, מדודים ואלגנטיים.
המחקר:
תגובות