کشف عامل احتمالی شکل‌گیری حیات

فرارو: این سؤال که چگونه حیات برای اولین بار در سیاره ما به وجود آمد، سؤالی است که هنوز به طور کامل به آن پاسخ نداده‌ایم، اما علم به طور مداوم در حال نزدیک‌تر شدن به پاسخ این سوال بزرگ است و اکنون یک مطالعه جدید، ساختار‌های پروتئین‌هایی را شناسایی کرده که ممکن است عامل اصلی حیات در سیاره ما باشد.

برای پاسخ به این معمای بزرگ، تیم تحقیق تصمیم گرفت از این فرض شروع کند که زندگی آنگونه که ما می‌شناسیم به جمع آوری و استفاده از انرژی بستگی دارد. در دوره اولیه زمین باستان، این انرژی به احتمال زیاد از آسمان، به شکل تابش خورشید، یا از اعماق خود زمین، به عنوان گرما که از دریچه‌های گرمابی در کف دریا‌های باستانی نفوذ می‌کند، می‌آمد. در سطح مولکولی، این استفاده از انرژی به معنای انتقال الکترون است، فرآیند شیمیایی اساسی که شامل حرکت الکترون از یک اتم یا مولکول به اتم دیگر است. انتقال الکترون، در هسته اصلی واکنش‌های اکسیداسیون (که به عنوان واکنش‌های ردوکس نیز شناخته می‌شود) رخ می‌دهد که برای برخی از عملکرد‌های اساسی حیات، بسیار ضروری هستند.

از آنجایی که فلزات بهترین عناصر برای انجام انتقال الکترون هستند و مولکول‌های پیچیده‌ای به نام پروتئین‌ها هستند که بیشتر فرآیند‌های بیولوژیکی را هدایت می‌کنند، محققان تصمیم گرفتند این دو را ترکیب کنند و به دنبال پروتئین‌هایی بگردند که فلزات را به هم متصل می‌کنند. یک رویکرد روشمند و محاسباتی برای مقایسه پروتئین‌های فلزیاب، مورد استفاده قرار گرفت و ویژگی‌های مشترک خاصی را که در همه آن‌ها مطابقت داشت - صرف نظر از عملکرد پروتئین، فلزی که به آن متصل می‌شود یا ارگانیسمی که درگیر است- آشکار کرد.

یانا برومبرگ، میکروبیولوژیست دانشگاه راتگرز-نیوبرانزویک در نیوجرسی می‌گوید: «ما دیدیم که هسته‌های متصل به فلز پروتئین‌های موجود واقعاً مشابه هستند، اگرچه ممکن است خود پروتئین‌ها مشابه نباشند. ما همچنین دیدیم که این هسته‌های متصل شونده به فلز اغلب از زیرساخت‌های مکرر تشکیل شده‌اند که بسیار شبیه به بلوک‌های لگو می‌باشند. عجیب است که این بلوک‌ها در نواحی دیگر پروتئین‌ها، نه فقط هسته‌های متصل‌کننده فلز، و در بسیاری از پروتئین‌های دیگر نیز یافت شدند. این چیزی بود که در مطالعه‌های پیشین مورد توجه قرار نگرفته بود.»

محققان پیشنهاد می‌کنند که این ویژگی‌های مشترک احتمالاً در اولین پروتئین‌ها وجود داشته و کار می‌کرده، اما در طول زمان تغییر می‌کنند و به پروتئین‌هایی تبدیل می‌شوند که امروزه می‌بینیم، با این حال ساختار‌های مشترک خاص آنها، کماکان باقی می‌ماند. تصور این است که فلزات محلول در اقیانوس آرکئن که هزاران میلیون سال پیش زمین را پوشانده بود، در تامین انرژی درهم‌آمیزی الکترون مورد نیاز برای انتقال انرژی و به نوبه خود حیات بیولوژیکی، نقش داشته اند.

برومبرگ می‌گوید: «مشاهدات ما نشان می‌دهد که بازآرایی‌های این ساختار‌های کوچک ممکن است یک یا تعداد کمی از اجداد مشترک را ارائه دهند که باعث ایجاد طیف وسیعی از پروتئین‌ها و عملکرد‌های آن‌ها در طول زمان شده و زندگی را آنگونه که ما امروز می‌شناسیم، شکل داده است.» به طور خاص، این تیم توانست تکامل در چین‌های پروتئینی را شناسایی کند که ممکن است پروتئین‌هایی را که امروزه می‌شناسیم، تقریباً شبیه یک پروژه درخت خانوادگی مولکولی تولید کرده باشد.

این مطالعه همچنین نتیجه می‌گیرد که پپتید‌های بیولوژیکی عملکردی، نسخه‌های کوچک‌تر پروتئین‌ها، ممکن است از اولین پروتئین‌هایی که به ۳.۸ میلیارد سال قبل بازمی‌گردند، نشأت گرفته باشند. همه این‌ها به درک ما از نحوه شروع زندگی می‌افزاید. همچنین، هر تحلیلی از آغاز حیات بر روی زمین می‌تواند برای جستجوی حیات در سیارات دیگر نیز مهم باشد، جایی که حیات ممکن است در مسیر‌های بیولوژیکی مشابه، شروع به تکامل کند (یا ممکن است قبلاً تکامل یافته باشد).

برومبرگ می‌گوید: «ما اطلاعات بسیار کمی در مورد چگونگی پیدایش حیات در این سیاره داریم و کار ما توضیحی را ارائه می‌کند که قبلاً در دسترس نبود. این توضیح همچنین می‌تواند به طور بالقوه به جستجوی ما برای حیات در سایر سیارات و اجرام سیاره‌ای کمک کند. یافته‌های ما از ساختار‌های پروتئینی خاص احتمالاً برای تلاش‌های زیست‌شناسی مصنوعی نیز مفید خواهد بود، زیرا این دانشمندان نیز قصد دارند پروتئین‌های فعال خاص را برای مصارف دارویی و پزشکی بسازند.» این تحقیق در نشریه معتبر Science Advances منتشر شده است.