کشف توانایی شگفتانگیز RNA در ساخت سازههای پیچیده؛ سرنخی تازه از آغاز حیات
دانشمندان برای مدتها تصور میکردند زمانی که RNA حدود چهار میلیارد سال پیش جرقه حیات روی زمین را زد، تنها قادر به تشکیل ساختارهایی کوچک و ساده بوده است. بااینحال، پژوهشی تازه نشان میدهد مولکولهای طبیعی RNA میتوانند هندسههای بزرگ و پیچیدهای مانند رشتهها و قفسها نیز بسازند؛ یافتهای که این پرسش را مطرح میکند: آیا چنین ساختارهایی در نخستین مراحل پیدایش حیات نیز وجود داشتهاند؟
براساس ایدهای موسوم به «فرضیه دنیای RNA»، شکلهای اولیه حیات که بر RNA متکی بودند، پیش از موجودات امروزی پدید آمدند که از DNA و پروتئین استفاده میکنند. RNA که از نظر مولکولی خویشاوند DNA محسوب میشود، همچنان نقشهای مهمی در سلولهای امروزی دارد، اما ماده اصلی ذخیرهکننده اطلاعات ژنتیکی نیست. در مقابل، احتمالا موجودات ابتدایی از RNA هم برای ذخیره اطلاعات ژنتیکی و هم برای تسریع واکنشها بهعنوان جایگزینی برای آنزیمها استفاده میکردند.
پروتئینها در نهایت به آنزیمهای غالب تبدیل شدند؛ شاید به این دلیل که میتوانند در مقایسه با RNA به شکلهای متنوعتری تا بخورند. پروتئینها از ۲۰ نوع زیرواحد موسوم به اسید آمینه ساخته شدهاند که هرکدام ساختار متفاوتی دارند، درحالیکه RNA تنها از چهار زیرواحد به نام نوکلئوتید تشکیل شده و شکل کلی همه آنها مشابه است.
پژوهشگران ابتدا تصور میکردند فقط پروتئینها از تنوع لازم برای شکل دادن به ساختارهای بزرگ برخوردارند، اما مقالهای تازه نشان داده است که RNA با وجود تنوع محدودتر، توانایی ساخت چنین آرایشهای عظیمی را نیز دارد. نتایج این پژوهش اول ژوئیه در سرور پیشچاپ بایوآرکایو (bioRxiv) منتشر شد و هنوز مورد داوری علمی قرار نگرفته است.
لین هوانگ، زیستشناس RNA در دانشگاه سون یاتسن چین و یکی از نویسندگان این مطالعه، به لایو ساینس گفت: «ما نشان دادیم RNA میتواند کارهایی انجام دهد که پیش از این هرگز ندیده بودیم. این یافته نشان میدهد RNA احتمالا در زمان پیدایش حیات قادر بوده به انواع مختلفی از شکلها تبدیل شود.»
هوانگ و همکارانش این فرضیه را مطرح کرده بودند که مولکولهای RNA در صورت برخورداری از توالیهایی که به شکل «حلقههای ساقهای بوسهزن» تا میخورند، میتوانند به یکدیگر متصل شوند. این ساختار زمانی شکل میگیرد که یک رشته RNA روی خودش خم میشود و حالتی شبیه حلقه بند کفش پیدا میکند. اگر حلقههای متعلق به RNAهای متفاوت با یکدیگر پیوند برقرار کنند یا بهاصطلاح یکدیگر را «ببوسند»، مولکولها میتوانند به هم متصل شوند و مجموعههایی بزرگتر بسازند.
پژوهشگران پس از بررسی شمار زیادی از توالیهای RNA، خانوادهای از این مولکولها را یافتند که بهوسیله باکتریوفاژها رمزگذاری میشوند؛ ویروسهایی که باکتریها را آلوده میکنند. آنها چند نمونه از این مولکولهای RNA را در آزمایشگاه خالص کردند، اجازه دادند درون یک ظرف به یکدیگر متصل شوند و سپس ساختارهای حاصل را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی برودتی ثبت کردند.
نتایج نشان داد برخی از مولکولهای RNA رشتههایی بلند تشکیل میدهند. این ساختارها شبیه رشتههای پروتئینی مانند اسکلت سلولی بودند؛ داربستی که در بسیاری از عملکردها از جمله شکلدهی و حرکت سلول نقش دارد.
گروهی دیگر از مولکولهای RNA نیز قفسهایی به بزرگی ویروسهای رایج ساختند. بعضی از این قفسها به شکل بیستوجهی درآمدند؛ ساختاری سهبعدی متشکل از ۲۰ مثلث متساویالاضلاع که ظاهری شبیه توپ فوتبال دارد. بسیاری از ویروسها، از جمله ویروسهای تبخال، ژنوم خود را درون ساختارهای بیستوجهی پروتئینی موسوم به کپسید بستهبندی میکنند. این شباهت پرسش مهم دیگری را پیش میکشد: آیا در دنیای RNA، کپسیدهای ساختهشده از RNA وظیفه بستهبندی ژنومها را بر عهده داشتهاند؟
هوانگ میگوید این مطالعه نشان میدهد RNA در دوران فرضی دنیای RNA توانایی ساخت چنین ساختارهای پیچیدهای را داشته است، اما این موضوع ثابت نمیکند که چنین اتفاقی واقعا رخ داده باشد.
آنا مدوگی، زیستشناس تکاملی دانشگاه اتوش لوراند (Eötvös Loránd University) مجارستان که در این پژوهش نقشی نداشته است، در ایمیلی به «لایو ساینس» گفت: «قطعا فکر میکنم شرایط محیطی یکی از پرسشهای مهم است. آیا این ساختارها میتوانند در محیطی شکل بگیرند که دنیای فرضی RNA در آن وجود داشته است؟»
به گفته مدوگی، اگر دانشمندان بتوانند شرایط محیطی دوران آغاز حیات، مانند دمای بالا و pH پایین، را بازسازی کنند و همچنان شاهد شکلگیری این ساختارها باشند، فرضیه وجود آنها در دنیای RNA تقویت خواهد شد.
اگرچه قفسها و رشتههای RNA مشاهدهشده بزرگ بودند، گروه هوانگ آنها را تنها با استفاده از رشتههایی کوتاه ساخت که طول هیچکدام از ۲۰۰ زیرواحد فراتر نمیرفت. مدوگی توضیح داد RNAهای بلند در برابر شکستن آسیبپذیرند؛ بنابراین اگر رشتههای کوتاه بتوانند در کنار یکدیگر ساختارهایی چندلایه و پیچیده بسازند، احتمال شکلگیری چنین مولکولهایی در دنیای RNA بیشتر خواهد بود.
پرسش دیگر این است که آیا این مجموعههای پیچیده RNA درون باکتریهای آلوده به باکتریوفاژ، یعنی همان محیط طبیعی استخراج آنها، نیز شکل میگیرند یا خیر. گروه هوانگ تاکنون فقط تشکیل این ساختارها را در ظروف آزمایشگاهی مشاهده کرده است. درنتیجه، پژوهشگران باید مشخص کنند آیا عوامل موجود درون باکتریها، از جمله پروتئینها، باعث اختلال در شکلگیری آنها میشوند یا برعکس، این فرایند را درون سلولها امکانپذیر میکنند.
این قفسهای RNA علاوه بر ارائه سرنخهایی تازه درباره آغاز حیات، ممکن است در آینده کاربردهایی در حوزه زیستفناوری داشته باشند. اکنون تلاشهایی برای استفاده از DNA تاخورده در قالب «اوریگامی DNA» بهمنظور انتقال دارو به درون سلولها در جریان است. هوانگ معتقد است RNA، خویشاوند قدیمیتر DNA، نیز شاید روزی بتواند نقشی مشابه در پزشکی ایفا کند.
