العلماء يقتربون من حل اللغز الكيميائي لأصل الحياة

ويدعم هذا الاكتشاف فكرة أن العديد من المكونات الرئيسية للحياة يمكن أن تكون قد تشكلت في وقت مبكر في وقت مبكر واتحدت لتكوين خلايا حية.

“لماذا لدينا الحياة؟ لماذا تعني قواعد الكيمياء أن الحياة هنا تبدو كما هي؟ قال ماثيو باونر، كبير مؤلفي كتاب ورقة ابحاث. هذه “مجرد الأسئلة الأكثر روعة التي يمكننا الإجابة عليها”.

على الرغم من أن الكائنات الحية تختلف بشكل كبير في المظهر، إلا أنها مصنوعة من نفس وحدات البناء الكيميائية الأساسية، والتي تسمى المستقلبات الأولية، والتي تشارك بشكل مباشر في نمو الخلايا وتطورها. تشمل الأمثلة الأحماض الأمينية التي تساعد في بناء البروتينات والنيوكليوتيدات التي تشكل الحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي (DNA).

ركزت التجربة المعملية الجديدة على أصول مستقلب أساسي آخر: الإنزيم المساعد A، الذي يقع في قلب عملية التمثيل الغذائي في جميع مجالات الحياة (كواحدة من وظائفه العديدة). على سبيل المثال، يلعب المركب دورًا حيويًا في إطلاق الطاقة من الكربوهيدرات والدهون والبروتينات في الكائنات الحية التي تحتاج إلى الأكسجين، ولكنه يخدم أيضًا وظائف التمثيل الغذائي في أشكال الحياة التي لا تحتاج إلى الأكسجين، مثل العديد من البكتيريا.

على وجه التحديد، كان باونر وفريقه يتطلعون إلى إعادة إنشاء جزء معين من جزيء الإنزيم المساعد A يسمى البانتيثين. البانتيثين هو الذراع الوظيفي للإنزيم المساعد A، وغالبًا ما يتم نقله وتمكين حدوث تفاعلات كيميائية أخرى في الجسم. يُسمى هذا الطرف بالعامل المساعد ويعمل كمفتاح تشغيل، وبدونه، لن يكون الإنزيم المساعد قابلاً للاستخدام.

وقال عالم الأحياء آرون جولدمان، الذي لم يشارك في الدراسة: “جميع عمليات التمثيل الغذائي لدينا تعتمد على مجموعة فرعية صغيرة من هذه العوامل المشتركة”. “لقد دفع هذا الباحثين إلى القول بأن هذه العوامل المشتركة، نفسها، ربما سبقت إنزيمات أكبر وأكثر تعقيدًا أثناء نشأة الحياة وتطورها المبكر”.

وقال جولدمان إن بعض الباحثين اقترحوا أن أشكال الحياة المبكرة ربما استخدمت البانتيثين لتخزين الطاقة قبل تطور عملة الطاقة الأكبر والأكثر تعقيدًا التي تستخدمها الخلايا اليوم.

إذا كان الأمر كذلك، فقد بقي اللغز: من أين أتى البانتيثين؟

“لا يمكننا العودة بالزمن إلى الوراء. لا يمكننا العودة إلى أصل الحياة. وقال باونر، الأستاذ في جامعة كوليدج لندن: “لا يمكننا العثور على عينات من هذا الإطار الزمني”. “إن قدرتنا الوحيدة للوصول إلى جوهر هذه المشكلة هي إعادة بنائها، والبدء من الصفر، وإعادة هندسة الخلية، وفهم ما يلزم لبناء كائن حي.”

كان بناء البانتيثين أمرًا صعبًا. وقال إن الجزيء كان «غريبًا» وفقًا لمعايير الكيمياء الحيوية. كان يشبه إلى حد كبير بنية الببتيدات (سلاسل الأحماض الأمينية) المستخدمة لبناء البروتينات، ولكن كان لديه العديد من الخصائص الغريبة – عناصر غير عادية كانت في أماكن غريبة – والتي يبدو أنها تمنحه بنية أكثر تعقيدًا.

المركب عبارة عن بطة غريبة لدرجة أن العلماء اقترحوا سابقًا أنه معقد جدًا بحيث لا يمكن تصنيعه من جزيئات أساسية. وقد حاول آخرون خلق البانتيثين وفشلوا، معتقدين أنه لم يكن موجودًا حتى في أصول الحياة. اعتقد العديد من العلماء أن علم الأحياء قد أنشأ نسخة بسيطة منه، والتي كانت ستتطور لتصبح أكثر تعقيدًا بمرور الوقت، مثل بناء كوخ وتحويله لاحقًا إلى قصر.

ومع ذلك، ذهب الفريق إلى المختبر. ركزوا في المقام الأول على استخدام المواد التي كان من الممكن أن تكون متوفرة بكثرة على الأرض في وقت مبكر، مثل سيانيد الهيدروجين والماء. استغرقت الخطوات القليلة الأولى من التفاعل حوالي يوم واحد، لكن الخطوة الأخيرة استمرت 60 يومًا، وهو أطول تفاعل قام به مختبر باونر على الإطلاق. وقال إن الفريق أخيرًا أوقف رد الفعل “جزئيًا لأننا شعرنا بالملل”. لكن النتيجة كانت الكثير من البانتيثين.

وحقق الفريق نجاحه مقارنة بالدراسات الفاشلة التي أجراها آخرون حول استخدام المركبات القائمة على النيتروجين والتي تسمى النتريل. وقد وفرت هذه المركبات الطاقة التي تشتد الحاجة إليها لتحفيز التفاعلات. بدون النتريل، يكون الأمر مثل وجود جزازة العشب ولكن لا يوجد غاز لتحريكها.

“أعتقد أنه من المفاجئ جدًا أنه لم يقم أحد بتجربته. قال جاسبر فيرتشايلد، دكتوراه، “إذا قمت بمزجها جميعًا معًا، فستكون جميعها متفاعلة بشكل متبادل مع بعضها البعض”. مرشح في جامعة كوليدج لندن الذي قاد التجربة. “كنت تعتقد أنك سوف تحصل على الفوضى، ولكنك لا تفعل ذلك. يمكنك فقط الحصول على البانتيثين. وبالنسبة لي، هذا جميل جدًا.”

وقال الباحثون إنه في بداية الأرض، كان من الممكن أن يحدث التفاعل في برك صغيرة أو بحيرات من الماء. ومع ذلك، من المحتمل أن تكون المحيطات الكبيرة قد خففت تركيز المواد الكيميائية.

وقال الكيميائي جوزيف موران، الذي لم يشارك في الدراسة: “هذا مثال جميل آخر على كيفية استعداد جزيئات الحياة، حتى تلك الأكثر تعقيدا مثل الإنزيمات المساعدة، للتشكل”.

يمكن للوصفة البسيطة لمثل هذا الجزيء المعقد أن تعيد تصور كيفية بدء الحياة على الأرض. تاريخيًا، يقول باونر، اقترح العلماء أن الجزيئات البيولوجية ظهرت بشكل تدريجي، كما لو كانت مبكرة عالم الحمض النووي الريبوزي والتي أدت فيما بعد إلى ظهور البروتينات والمواد الكيميائية الأخرى.

لكن الاكتشاف الجديد يظهر أن العديد من العناصر الأساسية للحياة كان من الممكن أن تكون قد تم إنشاؤها في وقت واحد من نفس المواد الكيميائية والظروف الأساسية، مما أدى إلى إنتاج البروتينات والحمض النووي الريبوزي (RNA) ومكونات أخرى في وقت واحد. في الواقع، استخدمت الدراسات السابقة للفريق ظروفًا وتفاعلات مماثلة لتكوين النيوكليوتيدات (التي تساعد في تكوين الحمض النووي) والببتيدات (التي تساعد في تكوين البروتينات). كان من الممكن أن تتجمع هذه العناصر الأساسية معًا وتتفاعل مع بعضها البعض وتؤدي في النهاية إلى أصل الحياة.

إن الفهم الأفضل لكيفية تشكل هذه المكونات ودمجها معًا يمكن أن يساعد العلماء يومًا ما على خلق الحياة من مواد ثابتة في المختبر، أو حتى على كوكب آخر.

“نحن بعيدون عن أن نكون قادرين على ذلك [from scratch] قال باونر: “اصنع خلية”. “قد لا يحدث هذا في حياتي، لكننا في الطريق إلى فهم كيفية عمل هذه الجزيئات معًا.”

هذه المقالة جزء من الكوكب المخفي، عمود يستكشف العلوم العجيبة وغير المتوقعة والشاذة لكوكبنا وما وراءه.