Prof. Robert Góra i Mikołaj Janicki z Wydziału Chemicznego oraz absolwent W3 dr Rafał Szabla (obecnie Uniwersytet w Edynburgu) brali udział w badaniach międzynarodowej grupy naukowców, których rezultaty ukazały się na początku czerwca na łamach czasopisma „Nature”.

Badania zespołu pod kierunkiem prof. Johna Sutherlanda z Laboratorium Biologii Molekularnej MRC w Cambridge sugerują, że cząsteczki budulcowe polimerów informacyjnych RNA i DNA powstały na Ziemi w tym samym czasie, a pierwszy polimer informacyjny mógł być ich hybrydą. To kolejny ważny trop dla badaczy początków życia.

Co było na początku?

Pytania o genezę życia na Ziemi towarzyszą ludzkości od jej zarania. To samo można powiedzieć o historii rozwoju poglądów na tę kwestię, wypracowanych na gruncie naukowym.

– Trudno byłoby je streścić, nawet ograniczając się do tych najbardziej popularnych – uważa prof. Robert Góra z Katedry Chemii Fizycznej i Kwantowej W3. – Warto podkreślić, że środowisko naukowe jest dalekie od konsensusu w tej kwestii. Jednak podstawowy paradygmat życia na Ziemi wydaje się dość uniwersalny. Wszystkie żywe organizmy składają się z jednej bądź wielu komórek, które przechowują informacje o swojej budowie i funkcji w postaci sekwencji zaledwie czterech różnych cząsteczek – tzw. nukleotydów – z których to zbudowane są cząsteczki polimerów informacyjnych DNA i RNA – wyjaśnia nasz naukowiec.

Jednym z największych wyzwań w dziedzinie badań nad chemicznymi początkami życia (tzw. chemia prebiotyczna) okazała się synteza nukleotydów w warunkach panujących na Ziemi w okresie, z którego pochodzą najstarsze ślady obecności żywych organizmów, tj. ok 3,8 mld lat temu. Cząsteczki nukleotydów składają się z trzech podjednostek: cukru (rybozy lub deoksyrybozy), zasady nukleinowej (adeniny, guaniny, cytozyny i uracylu lub tyminy) oraz reszty fosforanowej.

– Taki sposób opisu nukleotydów wydaje się oczywisty z punktu widzenia ich budowy oraz szlaków metabolicznych, w jakich powstają w żywych organizmach – mówi prof. Robert Góra. – Jednak wszelkie próby syntezy nukleotydów z tych składowych, a w szczególności utworzenia wiązania glikozydowego pomiędzy cukrem a zasadą, bez obecności skomplikowanej komórkowej maszynerii okazały się nieskuteczne lub zbyt mało wydajne – dodaje badacz z W3.

Dopiero w 2009 roku zespół pod kierunkiem prof. Johna Sutherlanda z Uniwersytetu w Cambridge opisał wydajną jednoreaktorową ścieżkę syntezy dwóch z czterech nukleotydów RNA, z prostych związków dostępnych na młodej Ziemi. W syntezie tej nukleotydy powstają poprzez produkt przejściowy, który zawiera już wbudowane wiązanie glikozydowe, tym samym pomijając kłopotliwy etap syntezy. Zaproponowana ścieżka wyjaśniała też zagadkę syntezy nukleotydów pomimo niskiej dostępności rybozy.

Nasz wkład

W oryginalnej syntezie prof. Sutherlanda niezwykle ważne okazało się naświetlanie promieniowaniem nadfioletowym (UV), które inicjowało niektóre etapy reakcji oraz oczyszczało mieszaninę reakcyjną ze zbędnych półproduktów. Konieczność prowadzenia reakcji w obecności promieniowania UV wyjaśniałoby, z kolei, niezwykłą fotostabilność nukleotydów i zasad kwasów nukleinowych. Niezwykle ciekawa fotochemia proponowanych przez prof. Sutherlanda reakcji skłoniła zespół z Katedry Chemii Fizycznej i Kwantowej, zajmujący się teoretycznym badaniem procesów fotochemicznych, do nawiązania współpracy z zespołem z Cambridge. Okazała się ona tak owocna, że badacze opublikowali na temat swoich wspólnych osiągnięć już trzy publikacje w prestiżowych czasopismach naukowych: „Chemical Science”, „Nature Chemistry” a ostatnio „Nature”.

– Naszym zadaniem w tych badaniach było wyjaśnienie mechanizmów molekularnych wykorzystywanych przez zespół prof. Sutherlanda procesów fotochemicznych – wyjaśnia prof. Robert Góra. – W pierwszych dwóch pracach dotyczyło to nietypowych mechanizmów bardzo wydajnej fotoanomeryzacji, a w ostatniej pracy wysoce selektywnego mechanizmu fotoredukcji.

We wrocławskim zespole, oprócz prof. Roberta Góry, pracuje także: Mikołaj Janicki, doktorant na Wydziale Chemicznym oraz dr Rafał Szabla, absolwent W3, który obecnie zatrudniony jest na Uniwersytecie w Edynburgu.

- To właśnie z dr. Rafałem Szablą zajmujemy się tą tematyką od samego początku, najpierw w ramach jego pracy inżynierskiej i magisterskiej, których byłem opiekunem, a później, gdy byłem ko-promotorem jego doktoratu w Instytucie Biofizyki w Brnie – opowiada prof. Robert Góra. – Obecnie wciąż kontynuujemy naszą bliską współpracę, czego efektem jest m.in. wspomniana publikacja w Nature, którą traktujemy jako nasz wspólny sukces.

Krok po kroku

Rozwinięcie oryginalnej syntezy prof. Sutherlanda o reaktywne związki siarki pozwoliło na równoczesną syntezę dwóch nukleotydów RNA: monofosforanów cytydyny (C) i urudyny (U) oraz DNA: adenozyny (A) i inozyny (I), dostarczając tym samym kompletnego alfabetu kwasu nukleinowego, który mógłby pełnić wszystkie kluczowe dla życia funkcje. Warto podkreślić, że inozyna, będąca analogiem guanozyny, ułatwia też nieenzymatyczne kopiowanie cząsteczek polimerów informacyjnych.

– Kluczowym wnioskiem płynącym z tych wyników jest sugestia, że nukleotydy RNA i DNA mogły powstać w tym samym okresie rozwoju naszej planety, a pierwszy polimer informacyjny mógł być ich swoistą hybrydą – podsumowuje prof. Robert Góra.

Autorzy publikacji sugerują również, że wyodrębnienie dwóch polimerów, stabilniejszego DNA, wykorzystywanego obecnie jedynie do przechowywania informacji oraz RNA pełniącego kluczową rolę w syntezie białek, mogło nastąpić dopiero na późniejszym etapie ewolucji organizmów komórkowych. – Jest to kolejny krok, który zbliża nas do zrozumienia tego, jak powstało życie na Ziemi, a w przyszłości być może pozwoli nam zrozumieć czy podobne procesy mogłyby zachodzić i w innych układach planetarnych – tłumaczy prof. Robert Góra.

Wyniki badań, których współautorami są nasi naukowcy, były szeroko komentowane, m.in. na łamach „Nature News & Views”, „New Scientist”, „Scientific American” oraz „Forbes”.