RNA-maailma

 

Erään ribotsyymin rakenne. Ribotsyymi on pelkästä RNA:sta koostuva entsyymi.

RNA-maailma on hypoteesi, jonka mukaan elämän synty lähti liikkeelle RNA:sta.

Tällöin RNA-maailmassa sama molekyyli sattoi varastoida tietoa ja toimia esisolun kemiallisten reaktioiden ohjaajana entsyymiproteiinin sijaan.

DNA-geeni varastoi nykyajan soluissa tiedon proteiinientsyymien rakentamiseen. RNA pystyy nykytiedon mukaan toimimaan geeninä ja entsyyminä. {{Lähde}} Hypoteesin mukaan RNA olisi alussa ohjannut esisolun reaktioita suoraan katalyyttisesti entsyymien tavoin, ja myöhemmin olisivat kuvaan tulleet nykyistä muistuttavat proteiinientsyymit. DNA olisi yleistynyt geeninä tämän jälkeen, koska se on RNA:ta vakaampi molekyyli ja kykenee tällöin varastoimaan paremmin suuria määriä tietoa. Näin DNA-alkusolut saattoivat kehittyä RNA-alkusoluja mutkikkaammiksi ja selvitä vaihtelevammissa oloissa. Tätä hypoteesia alettiin kutsua nimellä RNA-maailma vuonna 1983. Itse esisolu olisi saattanut olla rasvapisara, lipidikuorinen miselli tai liposomi.

RNA-maailma -hypoteesia tukee RNA:n kyky säilyttää, siirtää ja monistaa geneettistä tietoa ja sen lisäksi toimia joitakin kemiallisia reaktioita katalysoivana entsyyminä eli ribotsyyminä. Lähetti-RNA:ssa voi olla 2000-luvulla tehtyjen tutkimusten mukaan ribokytkin, joka mahdollistaa RNA:n ohjaaman reaktioketjun itsesäätelyn. RNA-maailmassa tapahtuvat nopeat mutaatiot mahdollistaisivat monen tyyppisten geenien synnyn ennen DNA:ta. RNA-maailmaa vastaan puhuu muun muassa se, ettei tiedetä riittikö se yksinään ensimmäiseksi esisolun katalyytiksi ja toisaalta sen joidenkin emästen eloton synty on nykytiedon mukaan hankalaa ja vaatii erityisiä olosuhteita. Lisäksi monet RNA:t ovat itseään katkaisevia. Näin ollen kysymys siitä, aloittiko RNA elämän, on yhä avoin ja vailla vastausta.

RNA vasemmalla, DNA oikealla.

RNA-maailman kannattajien mielestä solun kehitys olisi lähtenyt liikkeelle itseään monistavasta RNA-molekyylistä orgaanisia molekyylejä sisältäneessä "alkuliemessä". Mallin mukaan kun ensimmäinen itseään kopioiva RNA-molekyyli alkoi monistua, tuossa kopioinnissa tapahtui kopiointivirheitä eli mutaatioita, joilloin molekyyleistä tuli erilaisia. Erilaiset molekyylimutaatiot jatkoivat itsensä kopioimista ja kilpailivat toistensa kanssa ympäristönsä rakennusaineista ja energiasta. Tämä johti siihen, että tehokkaimmin kopioituvat molekyylit tulivat ympäristössään vallitseviksi. Tätä prosessia kutsutaan molekyylievoluutioksi. Erilaiset RNA-molekyylit saattoivat myös laskostua erilaisiin kolmiulotteisin muotoihin erilaisiksi katalyyteiksi. Ainakin viruksissa RNA:n tiedetään mutatoituvan DNA:ta nopeammin.

Molekyylievoluutiota on yritetty selittää monilla kokeilla, jotka esimerkiksi perustuvat RNA-virukseen nimeltä Q_β, joka ei tarvitse solun kaltaista monimutkaista ympäristöä kopioitumiseen. Odotusten mukaan kokeissa tapahtui kopiointivirheitä ja molekyylien kilpailua ja täten valintaa. Joidenkin virusten RNA-perimä viittaa siihen, että ne ovat RNA-maailman jäänteitä.

RNA-maailman seuraava vaihe olisi ollut, että primitiiviset RNA-juosteet alkaisivat valmistaa proteiineja, tätä pidetään todennäköisenä, koska nykyisissäkin soluissa RNA-molekyylit, ribotsyymit, osallistuvat ribosomeissa proteiinien rakentamiseen. Täten RNA-maailma kehittyisi nykyiseksi geneettisen koodin yhdistämäksi nukleiinihappojen ja proteiinien kaksijakoiseksi järjestelmäksi. Alkuliemessä epäilemättä oli aminohappoja runsaasti. Aminohappojen kanssa vuorovaikutuksessa olleella RNA-molekyylillä oli mahdollisuus yhdistää ne proteiineiksi katalysoimalla peptidisidosten muodostumisen.

RNA-maailman vaihtuminen DNA-maailmaksi saattoi johtua olosuhteiden kehittymisestä RNA-eliöille epäedulliseen suuntaan. DNA-eliöt saattoivat selvitä vaihtelevammissa ympäristöissä, koska DNA on RNA:ta vakaampi ja kykenee varastoimaan suuret määrät tietoa erilaisiin ympäristöihin soveltuviin toimintoihin. Yksinkertaistaen sanottuna, RNA-esisolu saattoi selvitä ympäristössä, missä monia RNA-esisolun osasia syntyi elottomasti pitkälle rakentuneina. DNA-eliö saattoi jalostaa ympäristönsä aineita pidemmälle, ja näin selvitä vaativammassa ympäristössä.

RNA-maailman arvioitu kehitys DNA-maailmaksi lyhyesti

• Mahdollisesti jokin RNA:n edeltäjä, esim. PNA, TNA tai GNA
• Itsekopioituva RNA
• Kemiallisia reaktioita katalysoiva RNA, joka toimi ensimmäisenä entsyyminä
• RNA, joka synnytti valkuaisaineita/entsyymejä
• RNA synnytti entsyymejä, jotka synnyttivät DNA:n. Mm. käänteiskopioijaentsyymi saattaa siirtää RNA:ssa olevat entsyymien valmistusohjeet DNA:han.
• Näin on syntynyt esisolu, pisara, joka yhä on kaukana nykyisestä solusta

RNA-maailma, puolesta ja vastaan

RNA-maailmaa tukee muun muassa se, että DNA:n sokeria deoksiriboosia on hyvin vaikea tuottaa elottomasti ainakaan suuria määriä. RNA:n tiedetään myös katalysoivan joitain kemiallisia reaktioita eli toimivan joskus entsyymien tavoin. RNA toimittaa monia tehtäviä nykyisissäkin soluissa, toimii DNA:n lähettinä, siirtäjä-RNA:na ja ribosomi-RNA:na valkuaisainesynteesissä. Nimenomaan RNA on proteiinista ja RNA:sta koostuvassa ribosomissa se osa, jonka adeniini-emäs kytkee syntyvän proteiinin aminohapot yhteen. Joissain bakteerien lähetti RNA:issa on tunnistusosia, jotka tunnistavat solun reaktioissa esiintyviä aineita. Kun jokin solun reaktiotuote tai lähdeaine kiinnittyy tällaiseen RNA:han, syntyy entsyymi joka katkaisee sen RNA:n jonka osa tämä aktiivinen RNA on.

RNA-maailmaa vastaan puhuu muun muassa se, ettei tiedetä tarkalleen missä määrin se kykenee katalysoimaan eri reaktioita. Myös RNA:n emäksen sytosiinin tuotanto elottomasti on vaikeaa. Tässä on vain osa RNA-maailmaan liittyvistä ongelmista. RNA:lle on ehdotettu helpommin luonnossa syntyvää edeltäjää, joita saattavat olla PNA, GNA ja TNA, mutta niitä ei esiinny missään solujen aineenvaihdunnassa.

RNA-maailman puolesta

Nykyajan solu valmistaa valkuaisaineita eli syntetisoi proteiineja siten, että DNA lähettää lähetti-RNA:n ribosomille. Lähetti-RNA:ssa on DNA:sta kopioitu valkuaisaineen teko-ohje geneettisen koodin mukaisesti. Ribosomin kyljessä siirtäjä-RNA:t kääntävät lähetti-RNA:n valkuaismolekyyliksi. Apuna tarvitaan monia entsyymejä, jotka ovat pääosin valkuaisaineita. Ribosomit koostuvat valkuaisaineesta ja RNA:sta. Tunnetaan monia RNA-viruksia, joissa RNA on ottanut DNA:n paikan. RNA siis pystyy geneettiseen tallentamiseen.

QBeta-bakteriofagi on onnistuttu monistamaan laboratoriossa käyttäen fagin RNA:ta ja nukleotideja trifosfaattimuodossa, eli ATP, CTP, GTP ja UTP:tä, RNA-polymeraasia ja magnesiumioneja, jolloin Qb-fagin RNA syntyy 40 minuutissa. Vertailun vuoksi yksijuosteis-DNA-fagin kahdentuminen vaatii polymeraasin ja renkaan sulkevan liitosentsyymin, neljää nukleotidia. RNA-polymeraasin on oltava virukselle spesifistä tyyppiä. Ongelmana on kuinka valkuaisainesynteesi saattoi ensimmäisen kerran alkaa, jos ei ollut olemassa ainuttakaan valkuaisaine-entsyymiä. Tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että RNA pystyy itse toimimaan entsyyminä.

Laboratoriossa on tuotettu lyhimmillään 165 emäksen mittainen RNA, joka pystyy valmistamaan hyvin epätarkkoja kopioita itsestään. Eräs 189 emäksen pituinen RNA tuottaa itsestään 98,9 %:n varmuudella tarkan kopion, eli tarkan kopion joka kahdeksas kopiointikerta.^selvennä Laboratoriossa on myös tuotettu pitkiä RNA-ketjuja prebioottisesti saatavilla olleista aineista vedessä ilman entsyymejä.

Myös ribosomissa on RNA:ta, ja vuoden 2001 ribosomin rakenteen selvittämisen mukaan juuri RNA vastaa pääosin ribosomin toiminnoista. Valkuaiset ovat niin sanottuja polypeptideja, jotka koostuvat peptidisidosten yhdistämistä aminohapoista. Ribosomissa juuri RNA:n adeniini-emäs sitoo kaksi aminohappoa yhteen peptidisidokseksi. Laboratoriossa on tuotettu ribosomi-RNA:ta lyhyempi RNA, joka voi yhdistää aminohappoja peptidisidoksilla, eli siten rakentaa polypeptidiä eli valkuaista ainakin jossain määrin jollain vauhdilla, jollain tarkkuudella.^{selvennälähde?}

SnRNP:t ovat pieniä RNA-valkuaisyhdisteitä, jotka käsittelevät soluissa lähetti-RNA:ta. Tämäkin tuo RNA:n merkittävään asemaan solussa. RNA:n sokeri riboosi syntyy luonnossa elottomasti helpommin kuin DNA:n deoksiriboosi. RNA toimii soluissa siirtäjä-RNA:na ja lähetti-RNA:na, jotka kuljettavat solun valkuaisaineiden rakennusohjeet ribosomeille, joissa valkuaisaineet valmistuvat.

Ribotsyymit ovat RNA-entsyymejä, jotka pystyvät katalysoimaan eli kiihdyttämään joitain kemiallisia reaktioita. eräs ribotsyymi on noin 350 emästä pitkä. RNA:lla ei ole proteiinien tasoista katalyyttistä kykyä, mutta se pystyy matkimaan tiettyjä entsyymejä, jotka aiheuttavat toisten RNA-molekyylien juosteiden katkeamisen ja yhteenliittymisen.

Niin sanottu käänteiskopioijaentsyymi pystyy muuttamaan RNA:ta DNA:ksi ja siten siirtyminen RNA-maailmasta DNA-maailmaan olisi saattanut teoriassa olla helppoa. Käänteiskopioijaentsyymi on yleinen, ja sitä esiintyy mm. vanhakantaisissa bakteereissa, joilla voi olla ikää jopa 2 miljardia vuotta.

Vastaväitteitä

RNA-maailma-hypoteesi kuulostaa lupaavalta, mutta sillä on monia vastustajia. RNA-maailman perusongelmista yksi on se, ettei nykyinen biokemia tunne kyllin abioottisia emästen ja sokereiden syntytapoja. RNA-maailmaa on vastustettu muun muassa sen takia, että RNA-molekyylien emästen mm. urasiilin ja sytosiinin syntytapaa luonnollisin mekanismein ei ole tunnettu, mutta laboratorioissa on nykyisin osoitettu, että kaikkien RNA-molekyylien emästen synty luonnollisin prosessein on mahdollista. Myös esim. riboosi ja muut sokerit ovat varsin epävakaita. Riboosin ja fosforihapon sidos on altis hydrolyysille. Näin ollen riboosi-fosforihappo-yhdistelmä hajoaa nopeasti vedessä. Tämä vaatii jatkuvaa riboosi-fosforihappo-yhdistelmien tuotantoa. Lisäksi esimerkiksi eräs tunnettu guaniinin syntyreaktio syaanivedystä estää riboosin tuotannon formaldehydistä. Tämä näyttää viittaavan siihen, että emästen ja sokereiden ja eri emästen olisi synnyttävä eri paikoissa, joissa on erilaiset kemialliset olot ja sitten liityttävä yhteen.

Myös RNA:ssa käytetty riboosi tulee olla oikeata enantiomeeria. Nykyajan RNA:n sokerit ja emäkset ovat tarkoin valikoitua kätisyyttä. RNA-maailma vaatii prosessin, joka tuottaa suuria määriä oikeata kätisyyttä olevia nukleotideja. Nykyajan soluissa tämä tapahtuu DNA-informaation pohjalta rakennettujen entsyymien avulla. Tämä tekee hankalammaksi epätarkan ei-elollisen tuotantoprosessin. Jos eri enantiomeeriset riboosit kytkeytyvät yhdessä fosforihappojen kanssa RNA:n selkärangaksi, molekyylistä tulee mutkainen ja epävakaa. Mutta tutkijat ovat osoittaneet mahdollisia syitä tuolle kätisyyden valinnalle sekä sen, että pieni ylimäärä toista enantiomeeria kemiallisessa seoksessa voi johtaa seoksen toiskätiseksi.

Vaikka laboratoriossa on tuotettu itsekopioituvia RNA-molekyylejä alkumaan olosuhteita mallintavissa olosuhteissa, nykyluonnossa ei ole havaittu vapaita RNA-molekyylejä. Ja vaikka RNA katalysoikin monia reaktioita, on silti epäilyksiä RNA:n katalysointikyvystä monissa reaktioissa.

Monet RNA-ribotsyymit ovat itseään tai toisia RNA-molekyylejä pilkkovia, mikä saattaa vaikeuttaa suurten geenien syntyä. RNA:n evoluutiota saattaa vaikeuttaa suuri mutaatiotaajuus. Lyhyessä ajassa tapahtuva suuri mutaatiomäärä toimii useimmiten evoluutiota estävällä tavalla.

RNA-maailma-hypoteesi keskittyy pelkästään kopioitumiseen aineenvaihdunnan kustannuksella. RNA-maailma-hypoteesin vastakohdan aineenvaihdunta ensin -hypoteesin mukaan yksinkertaisia reaktioita ja aineenvaihduntaa on ollut ennen geenien syntyä. Aineenvaihdunta tarkoittaa tässä kemiallisten reaktioiden ketjua, jossa yksistä prosesseista vapautuva energia siirtyy toisen prosessin käyttöön, mikä lopulta johtaa monimutkaisempien molekyylien syntyyn. Siinä tapauksessa molekyylievoluutio pääsisi muuntamaan molekyyliä ja lisäämään siihen informaatiota vaihe vaiheelta niin kauan, kunnes saavutettaisiin lyhyitä RNA-juosteita vastaava monimutkaisuus.

RNA:n edeltäjät

Koska RNA:n tuottamista prebioottisesti on pidetty vaikeana, RNA-maailmaa on pidetty myöhäisempänä vaiheena, ja sitä ennen olisi todennäköisesti ollut RNA:ta huomattavasti yksinkertaisempi ja pienempi itsekopioituva molekyyli, joka kuitenkin kopioituu riittävän luotettavasti. Ennen RNA:ta on saattanut olla esim. PNA, glyserolinukleiinihappo GNA tai teroosinukleiinihappo TNA, jollaiset ovat RNA:ta helpompia synnyttää, mutta joita ei toisaalta ole havaittu elävissä olioissa. Sekä GNA:ssa että TNA:ssa on fosfaatti-hiiliyhdisterunko, ja ainakin TNA sopii yhteen RNA:n ja DNA:n kanssa. PNA syntyy helposti, mutta siinä ei ole mukana fosfaatteja niin kuin DNA:ssa ja RNA:ssa. On myös tehty kokeita, joissa RNA:n riboosi on vaihdettu heksoosiksi.

Kilpailevia ajatuksia

PAH-maailma on ajatus, että nykyään mm. syöpää aiheuttavina tunnetut PAH-yhdisteet olisivat käynnistäneet alkeellisen elämän synnyn. Ei yleensä, mutta joissain oloissa PAH-yhdisteet synnyttävät kiinni tarrautuessaan pinomaisia rakenteita veteen, jossa bentseenirenkaat ovat päällekkäin kuin kolikot. Kunkin bentseenirenkaan kohdalle voisi asettua RNA:n osanukleotidi, koska PAH-pinon bentseenirenkaiden väli on 0,34 nm.

Rauta-rikki-maailma on ajatus, jonka mukaan raudan ja rikin ympärillä pyörivä aineenvaihdunta kehittyi ensin, RNA:n ja DNA:n tyyppiset geneettiset molekyylit myöhemmin. Se on lähellä proteiinimaailmaa, jossa ensimmäinen kopioituva molekyyli olisi ollut proteiini.

Katso myös

• Elämän synty
• Esisolu
• Hypersykli
• RNA
• Spiegelmanin hirviö
• Rauta-rikkimaailma
• Proteiinimaailma
• Alaniinimaailma

Lähteet

• Paul Davies: The Fifth Miracle (suom. Viides ihme: Elämän syntyä etsimässä)