Kod genetyczny, który kontroluje sposób, w jaki żywe istoty budują białka w oparciu o instrukcje genetyczne, mógł rozwinąć się w innej kolejności, niż kiedyś sądzono. Niedawne badanie bada najwcześniejsze etapy życia i przedstawia nowy harmonogram dodawania do tego kodu elementów budulcowych białek, zwanych aminokwasami. Ta sekwencja jest kluczowym elementem układanki dotyczącej początków życia.

Profesor Joanna Masel i jej współpracownicy z Uniwersytetu w Arizonie przedstawili nowe podejście do ustalenia kolejności, w jakiej aminokwasy stają się częścią systemu wykorzystywanego przez całe życie do wytwarzania białek. Ich badania, opublikowane w czasopiśmie naukowym Proceedings of the National Academy of Sciences, pozwalają uniknąć wcześniejszych domysłów opartych na substancjach chemicznych występujących na wczesnej Ziemi. Zamiast tego zespół przyjrzał się bezpośrednio składowi białkowemu bardzo starego materiału genetycznego, którego początki sięgają najwcześniejszych znanych form życia.

Zamiast polegać na eksperymentach mających na celu odtworzenie wczesnych warunków ziemskich, zespół profesora Masela zbadał starożytne wzorce genetyczne, które prawdopodobnie były wspólne dla pierwszych organizmów. Te kawałki białka są niezbędne w wielu procesach życiowych i dostarczają wskazówek na temat funkcjonowania biologii miliardy lat temu. Naukowcy odkryli, że najpierw wykorzystano prostsze, mniejsze aminokwasy, a później dodano bardziej złożone. Co zaskakujące, takie typy jak metionina i cysteina, do których zalicza się siarka, oraz histydyna, która oddziałuje z metalami, zostały dodane wcześniej, niż wcześniej sądzono.

„Metioninę i histydynę dodano do kodu wcześniej, niż oczekiwano na podstawie ich mas cząsteczkowych, a glutaminę później” – wyjaśnił profesor Masel. Oznacza to, że metionina prawdopodobnie odgrywała rolę we wczesnych procesach związanych z energią, a zdolność histydyny do wspomagania reakcji chemicznych na bazie metali mogła od początku sprawić, że była ona kluczowa.

Wyniki badania wykraczają poza podstawową chemię. Wspierają pogląd, że życie zaczęło się w środowiskach bogatych w minerały i siarkę, takich jak podwodne kominy wulkaniczne. Miejsca te zapewniłyby odpowiednie warunki dla chemii opartej na siarce i metalach. Zespół profesora Masela znalazł również oznaki wskazujące, że niektóre nawet starsze systemy genetyczne istniały przed najwcześniejszym przodkiem wspólnym dla całego życia, co sugeruje, że życie eksperymentowało z różnymi sposobami wytwarzania białek, zanim zdecydowało się na system, który znamy dzisiaj.

Aby dojść do tych wniosków, zespół profesora Masela pogrupował części białek według tego, jak daleko w czasie powstały. Te części białek, zwane domenami, to odcinki białek, które wykonują określone zadania w komórce. Następnie badacze porównali częstotliwość występowania poszczególnych rodzajów aminokwasów w starszych i nieco nowszych zestawach białek. Odkryli na przykład, że prawdopodobnie glutamina została dodana do kodu genetycznego dość późno, obalając wcześniejsze założenia. Inne starożytne białka zawierały niezwykłe ilości specyficznych aminokwasów, takich jak tryptofan i tyrozyna, co wskazywało na starsze układy genetyczne, które mogły działać inaczej.

Badania profesora Masela oferują więcej niż tylko nowe spojrzenie na historię Ziemi. Otwiera także możliwości badania życia poza naszą planetą. Jeśli siarka i aminokwasy na bazie metali były tu ważne na początku życia, mogłyby być oznakami życia także w innych światach. „Nasze wyniki pozwalają na lepsze przybliżenie kolejności włączania dwudziestu aminokwasów do kodu genetycznego” – powiedział profesor Masel, dając naukowcom lepszy sposób śledzenia, jak życie może rozpocząć się w innych częściach wszechświata.

Odniesienie do czasopisma

Wehbi S., Wheeler A., ​​Morel B., Manepalli N., Minh BQ, Lauretta DS, Masel J. „Kolejność rekrutacji aminokwasów do kodu genetycznego określona przez domeny białkowe ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka”. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2410311121

O autorze

Profesor Joanna Masel jest biologiem teoretycznym na Uniwersytecie w Arizonie, znaną z innowacyjnych prac badających ewolucję najbardziej podstawowych procesów życiowych. Jej badania koncentrują się na pochodzeniu systemów genetycznych, teorii ewolucji i molekularnych podstawach wczesnego życia. Mając doświadczenie w matematyce i biologii ewolucyjnej, łączy złożone modele obliczeniowe z zagadnieniami biologicznymi, aby odkryć wzorce, które ukształtowały życie, jakie znamy. Profesor Masel opublikował wiele publikacji na różne tematy, od ewolucji białek po odporność genetyczną i pojawianie się nowych cech. Jej prace są doceniane za kwestionowanie założeń i zapewnianie nowych ram dla zrozumienia, w jaki sposób systemy biologiczne dostosowują się i ewoluują w czasie. Oprócz wkładu akademickiego jest także mentorką i orędowniczką krytycznego myślenia w nauce, zachęcając do interdyscyplinarnego podejścia do odpowiedzi na niektóre z najtrudniejszych pytań biologii. Jej niedawna praca nad rekrutacją aminokwasów oferuje świeże spojrzenie na to, jak kod genetyczny mógł nabrać kształtu.