– W jaki sposób materia nieożywiona mogła przekształcić się w skomplikowaną maszynerię komórkową – zastanawia się dr inż. Rafał Szabla z Wydziału Chemicznego PWr. Naukowiec prowadzi badania, które mogą wyjaśnić, jak powstało DNA i RNA, czyli początki życia na Ziemi. 

Dr Szabla tym zagadnieniem interesuje się od wielu lat. Jeszcze w czasie studiów magisterskich na Politechnice Wrocławskiej trafił do grupy naukowej prof. Roberta Góry (obecnie z Katedry Chemii Nieorganicznej i Strukturalnej  Wydziału Chemicznego), który zajmuje się podobną tematyką. Obecnie jest adiunktem na tym wydziale i kieruje zespołem badawczym finansowanym w ramach środków z Narodowego Centrum Nauki. 

Synteza bez udziału tlenu

– W 2009 roku ukazała się w “Nature” przełomowa publikacja prof. Johna Sutherlanda z Uniwersytetu w Cambridge dotycząca syntezy RNA z prostych związków na młodej Ziemi. Prof. Robert Góra, który był promotorem mojej pracy magisterskiej, rozwijał tę koncepcję. To właśnie pod jego kierunkiem zacząłem zgłębiać to, w jaki sposób mogły zachodzić pewne procesy chemiczne bez udziału tlenu przy silnym działaniu promieniowania UV. Nie istniała przecież wtedy warstwa ozonowa, więc światło musiało mieć podstawowe znacznie przy formowaniu się pierwszych żywych cząsteczek – mówi badacz z PWr.

Dodaje, że 3-4 miliardy lat temu, czyli w erze archaiku, Słońce generowało znacznie więcej promieniowania UV niż obecnie. Na Ziemi nie było tlenu cząsteczkowego, więc światło sprawiało, że reakcje syntezy zachodziły w sposób bardziej efektywny. 

Dr Rafał Szabla prowadzi badania w interdyscyplinarnym i międzynarodowym zespole, w ścisłej współpracy z grupą prof. Johna Sutherlanda. Wykorzystuje wiedzę za zakresu biochemii, biologii czy planetologii.

– Problemem początków DNA i RNA zajmujemy się w różnych skalach. Badamy właściwości większych cząsteczek, ale też ich elementów składowych, takich jak nukleotyd. Jest to podstawowa cegiełka wchodząca w skład każdej z nici DNA, zwierająca zasadę azotową odpowiedzialną za kodowanie informacji genetycznych na temat tego, jak zbudowane są białka – wyjaśnia dr Szabla.

Po co nam ta wiedza?

Badaczy szczególnie interesuje to, w jaki sposób mniejsze cegiełki oddziałują z promieniowaniem UV.

– Sprawdzamy mechanizmy reakcji, które z takich niewielkich i prostych cząsteczek mogły doprowadzić do powstania bardziej złożonych makromolekuł zdolnych do samodzielnego kopiowania się – wyjaśnia naukowiec. Jego zespół szuka odpowiedzi m.in. na to, dlaczego właśnie te polimery informacyjne, a nie inne, zapoczątkowały życie na Ziemi i przetrwały. 

Naukowcy wykorzystują do swoich badań techniki chemii obliczeniowej i kwantowej (z użyciem zaawansowanych programów do projektowania molekularnego i komputerów o dużej mocy obliczeniowej). Dzięki temu mogą poznać właściwości molekularne i parametry chemiczne cząstek, które następnie eksperymentaliści badają w laboratorium. 

– Udało nam się odkryć, jak wygląda przewodzenie elektronów w DNA i jak możemy je w związku z tym modyfikować, żeby samo się naprawiało. Stwierdziliśmy, że dobrze byłoby sprawdzić, czy nasze obliczenia znajdują odzwierciedlenie w rzeczywistości – opowiada dr Szabla. Skontaktował się z grupą prof. Janusza Raka z Uniwersytetu Gdańskiego, a dokładnie z dr Magdaleną Zdrowowicz, która specjalizuje się w tego typu eksperymentach. – Naukowcy zbadali „nasze” zmodyfikowane sekwencje DNA, naświetlili promieniowaniem i ku naszej radości, okazało się, że nasze przewidywania były słuszne – mówi dr Rafał Szabla.

Podkreśla, że jego badania mają charakter podstawowy, jednak wiedza o budowie DNA i RNA może być wykorzystana w wielu dziedzinach: nanotechnologii, terapiach medycznych czy projektowaniu leków.  

Chemia zamiast muzyki

Dr inż. Rafał Szabla pracuje na PWr w Katedrze Chemii Fizycznej i Kwantowej, wcześniej był wykładowcą na Uniwersytecie Edynburskim. Doktorat w dziedzinie chemii biomolekularnej obronił w 2017 roku na Uniwersytecie Masaryka w Brnie (Czechy), a następnie pracował jako adiunkt w Instytucie Fizyki PAN. Jest członkiem międzynarodowej grupy Simons Collaboration on the Origins of Life, a w 2020 roku dołączył do UK Center for Astrobiology i Polskiego Towarzystwa Astrobiologicznego.  

Jest współautorem publikacji w “Nature” na temat początków DNA i RNA, która ukazała się w 2020 roku. W tym roku znalazł się w ścisłym finale 21. edycji Nagród Naukowych „Polityki”, został nominowany w kategorii nauki ścisłe.

Jeszcze przed pandemią rozpoczął pracę na Uniwersytecie w Edynburgu, gdzie przeprowadził się wraz z rodziną. Jednak niedogodności związane ze zdalną pracą i życiem w Wielkiej Brytanii zadecydowały o jego powrocie do Polski. Na Politechnice Wrocławskiej buduje międzynarodowy zespół badawczy, który już liczy sześć osób. To dr Cristina Barboza z Brazylii, specjalistka od fotochemii obliczeniowej, doktoranci: Suanto Syahputra z Indonezji i Mikołaj Janicki z PWr, a także studentka Beata Borysiuk.

– Mamy sporo planów badawczych, aplikujemy o kolejne granty naukowe. Jeden z projektów dotyczy ścisłej współpracy z Uniwersytetem Harvarda, w nasze obliczenia chemiczne włączamy jeszcze uczenie maszynowe. Idea jest taka, żeby zbadać, w jaki sposób te pierwsze oligomery, czyli krótkie fragmenty RNA, mogły się same kopiować na młodej Ziemi. To będzie współpraca z zespołem prof. Jacka Szostaka, wybitnego biologa i genetyka z Harvard Medical School – zapowiada badacz z PWr.

Dr Rafał Szabla znajduje także czas na hobby, w wolnej chwili sięga po gitarę. – Był nawet moment, gdy zastanawiałem się, czy zawodowo nie poświęcić się muzyce. Równolegle ze studiami na PWr chodziłem też na zajęcia do Wrocławskiej Szkoły Jazzu. Stwierdziłem, że w chemii mogę jednak zdziałać więcej niż w muzyce, dlatego postawiłem na naukę – śmieje się dr Szabla.

Kolejną jego pasją jest bieganie. Uważa, że to zajęcie pozwala mózgowi odpocząć, a ciału rozluźnić się po wielu godzinach spędzonych przed komputerem. – Póki co najlepiej się czuję na 10-kilometrowych dystansach, ale może przyjdzie czas na przebiegnięcie maratonu – dodaje naukowiec z PWr.

Iwona Szajner