ให้ความรู้เรื่องไก่

ชีวิตอย่างที่เราทราบกันดีว่าขึ้นอยู่กับเครือข่ายอันซับซ้อนของปฏิสัมพันธ์ ซึ่งเกิดขึ้นในระดับจุลภาคในเซลล์ชีวภาพ และเกี่ยวข้องกับสปีชีส์โมเลกุลที่แตกต่างกันหลายพันชนิด ในร่างกายของเรา กระบวนการพื้นฐานอย่างหนึ่งเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำอีกนับครั้งไม่ถ้วนทุกวัน ในการดำเนินการที่เรียกว่าการจำลองแบบ โปรตีนจะทำสำเนาข้อมูลทางพันธุกรรมที่เข้ารหัสไว้ในโมเลกุล DNA ที่เก็บไว้ในนิวเคลียสของเซลล์ ก่อนที่จะกระจายอย่างเท่าเทียมกันไปยังเซลล์ลูกทั้งสองระหว่างการแบ่งเซลล์ จากนั้นข้อมูลจะถูกคัดแยก ('ถอดความ') ไปสู่สิ่งที่เรียกว่าโมเลกุลอาร์เอ็นเอของผู้ส่งสาร (mRNAs) ซึ่งควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับประเภทเซลล์ที่เกี่ยวข้อง RNA ประเภทที่สอง - ถ่ายโอน RNA (tRNA) - มีบทบาทสำคัญใน 'การแปล' ของ mRNAs เป็นโปรตีน การมีปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนเช่นนี้ระหว่างการจำลองแบบของ DNA และการแปล mRNAs เป็นโปรตีนเกิดขึ้นได้อย่างไรเมื่อระบบชีวิตพัฒนาขึ้นครั้งแรกในโลกยุคแรก เรามีตัวอย่างคลาสสิกของปัญหา ไก่ กับไข่: โปรตีนจำเป็นสำหรับการถอดความข้อมูลทางพันธุกรรม แต่การสังเคราะห์โปรตีนนั้นขึ้นอยู่กับการถอดความ นักฟิสิกส์ของ LMU ที่นำโดยศาสตราจารย์ Dieter Braun ได้แสดงให้เห็นว่าปริศนานี้สามารถแก้ไขได้อย่างไร พวกเขาได้แสดงให้เห็นว่าการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยในโครงสร้างของโมเลกุล tRNA สมัยใหม่ทำให้พวกมันสามารถโต้ตอบแบบอัตโนมัติเพื่อสร้างโมดูลการจำลองแบบ ซึ่งสามารถจำลองข้อมูลแบบทวีคูณได้ การค้นพบนี้บอกเป็นนัยว่า tRNAs ซึ่งเป็นตัวกลางสำคัญระหว่างการถอดความและการแปลในเซลล์สมัยใหม่ อาจเป็นความเชื่อมโยงที่สำคัญระหว่างการจำลองแบบและการแปลในระบบสิ่งมีชีวิตในยุคแรกสุด ดังนั้นจึงสามารถให้คำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามที่มาก่อน ข้อมูลทางพันธุกรรมหรือโปรตีน? ในแง่ของลำดับและโครงสร้างโดยรวม tRNAs ได้รับการอนุรักษ์อย่างมากในทั้งสามโดเมนของสิ่งมีชีวิต ได้แก่ อาร์เคียเซลล์เดียวและแบคทีเรีย (ซึ่งไม่มีนิวเคลียสของเซลล์) และยูคาริโอตา (สิ่งมีชีวิตที่เซลล์มีนิวเคลียสที่แท้จริง) ข้อเท็จจริงนี้บ่งชี้ว่า tRNA เป็นหนึ่งในโมเลกุลที่เก่าแก่ที่สุดในชีวมณฑล เช่นเดียวกับขั้นตอนต่อมาในวิวัฒนาการของชีวิต วิวัฒนาการของการจำลองแบบและการแปล -- และความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างกัน -- ไม่ได้เป็นผลมาจากขั้นตอนเดียวอย่างกะทันหัน เป็นที่เข้าใจกันดียิ่งขึ้นว่าเป็นจุดสุดยอดของการเดินทางเชิงวิวัฒนาการ Dieter Braun กล่าวว่า "ปรากฏการณ์พื้นฐาน เช่น การจำลองตัวเอง การเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ การจัดระเบียบตนเอง และการแบ่งส่วน มีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเหล่านี้ "และโดยทั่วไปแล้วกระบวนการทางกายภาพและทางเคมีนั้นขึ้นอยู่กับความพร้อมของสภาพแวดล้อมที่ทำให้เกิดสภาวะที่ไม่สมดุล" ในการทดลองของพวกเขา Braun และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้ชุดของสาย DNA เสริมซึ่งกันและกันซึ่งจำลองตามรูปแบบลักษณะของ tRNAs สมัยใหม่ แต่ละเส้นประกอบด้วย 'กิ๊บติดผม' 2 เส้น (เรียกเช่นนี้เพราะเส้นใยแต่ละเส้นสามารถจับคู่กับตัวมันเองได้บางส่วนและสร้างโครงสร้างห่วงยาว) คั่นด้วยลำดับข้อมูลตรงกลาง แปดเส้นดังกล่าวสามารถโต้ตอบผ่านการจับคู่ฐานเสริมเพื่อสร้างคอมเพล็กซ์ ขึ้นอยู่กับรูปแบบการจับคู่ที่กำหนดโดยเขตข้อมูลกลาง คอมเพล็กซ์นี้สามารถเข้ารหัสรหัสไบนารี 4 หลักได้ การทดลองแต่ละครั้งเริ่มต้นด้วยเทมเพลต ซึ่งเป็นโครงสร้างข้อมูลที่ประกอบด้วยลำดับข้อมูลกลางสองประเภทที่กำหนดลำดับเลขฐานสอง ลำดับนี้กำหนดรูปแบบของโมเลกุลเสริมที่มันสามารถโต้ตอบในสระที่มีอยู่ นักวิจัยได้สาธิตต่อไปว่าโครงสร้างไบนารี templated สามารถคัดลอกซ้ำๆ ได้ เช่น ขยาย โดยใช้ลำดับความผันผวนของอุณหภูมิระหว่างอุ่นและเย็นซ้ำๆ "ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่ากลไกการจำลองแบบดังกล่าวอาจเกิดขึ้นบนระบบไมโครไฮโดรเทอร์มอลบนโลกในยุคแรกเริ่ม" เบราน์กล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สารละลายที่เป็นน้ำซึ่งติดอยู่ในหินที่มีรูพรุนบนพื้นทะเลจะก่อให้เกิดสภาพแวดล้อมที่เอื้ออำนวยต่อวงจรปฏิกิริยาดังกล่าว เนื่องจากการสั่นของอุณหภูมิตามธรรมชาติ เกิดขึ้นจากกระแสการพาความร้อน ในระหว่างกระบวนการคัดลอก เส้นเสริม (ดึงมาจากกลุ่มของโมเลกุล) จะจับคู่กับส่วนข้อมูลของเส้นแม่แบบ เมื่อเวลาผ่านไป กิ๊บติดผมที่อยู่ติดกันของเส้นใยเหล่านี้จะจับคู่กันเพื่อสร้างกระดูกสันหลังที่มั่นคง และความผันผวนของอุณหภูมิยังคงขับเคลื่อนกระบวนการขยายสัญญาณ หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ เส้นแม่แบบจะถูกแยกออกจากการทำซ้ำที่สร้างขึ้นใหม่ จากนั้นทั้งสองจะสามารถทำหน้าที่เป็นเส้นแม่แบบในการจำลองแบบรอบถัดไป ทีมงานสามารถแสดงให้เห็นว่าระบบสามารถทำซ้ำแบบเอกซ์โปเนนเชียลได้ นี่เป็นข้อค้นพบที่สำคัญ เนื่องจากแสดงให้เห็นว่ากลไกการจำลองมีความทนทานต่อการพังทลายเนื่องจากการสะสมของข้อผิดพลาด ข้อเท็จจริงที่ว่าโครงสร้างของตัวจำลองที่ซับซ้อนนั้นคล้ายคลึงกับ tRNAs สมัยใหม่ แสดงให้เห็นว่า tRNA รูปแบบแรก ๆ สามารถมีส่วนร่วมในกระบวนการจำลองแบบโมเลกุล ก่อนที่โมเลกุล tRNA จะถือว่าบทบาทสมัยใหม่ในการแปลลำดับ RNA ของผู้ส่งสารเป็นโปรตีน Alexandra Kühnlein กล่าวว่า "ความเชื่อมโยงระหว่างการจำลองแบบและการแปลในสถานการณ์วิวัฒนาการช่วงต้นนี้อาจช่วยแก้ปัญหาไก่กับไข่ได้ นอกจากนี้ยังสามารถอธิบายถึงรูปแบบคุณลักษณะของโปรโต-tRNA และอธิบายบทบาทของ tRNA ก่อนที่จะเลือกใช้ร่วมกันในการแปล การวิจัยในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับการกำเนิดชีวิตและการเกิดขึ้นของวิวัฒนาการของดาร์วินในระดับของพอลิเมอร์เคมียังมีความหมายต่ออนาคตของเทคโนโลยีชีวภาพอีกด้วย "การตรวจสอบการจำลองแบบของโมเลกุลในรูปแบบแรกเริ่มของเราและการค้นพบความเชื่อมโยงระหว่างการจำลองแบบและการแปลทำให้เราเข้าใกล้การสร้างต้นกำเนิดของชีวิตขึ้นมาอีกขั้น" เบราน์สรุป