Pomimo budzącej podziw różnorodności prawie wszystkie formy życia – od bakterii po płetwal błękitny – mają ten sam kod genetyczny. To, jak i kiedy powstał ten kod, było przedmiotem wielu naukowych kontrowersji.
Przyjmując świeże podejście do starego problemu, Sawsan Wehbi, doktorant w Interdyscyplinarnym Programie dla Absolwentów Genetyki na Uniwersytecie w Arizonie, odkrył mocne dowody na to, że podręcznikowa wersja ewolucji uniwersalnego kodu genetycznego wymaga rewizji. Wehbi jest pierwszym autorem badania opublikowanego w czasopiśmie PNAS, sugerującego kolejność, w jakiej aminokwasy – elementy składowe kodu –
zostali zrekrutowani, stoi w sprzeczności z tym, co jest powszechnie uważane za „konsensus” w sprawie ewolucji kodu genetycznego.
„Kod genetyczny to niesamowita rzecz, w której ciąg DNA lub RNA zawierający sekwencje czterech nukleotydów ulega translacji na sekwencje białek przy użyciu 20 różnych aminokwasów” – powiedziała Joanna Masel, starsza autorka artykułu oraz profesor ekologii i biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie U of A. „To niesamowicie skomplikowany proces, a nasz kod jest zaskakująco dobry. Jest prawie optymalny dla wielu rzeczy i musiał ewoluować etapami”.
Badanie wykazało, że na początku życia preferowano mniejsze cząsteczki aminokwasów od większych i bardziej złożonych, które zostały dodane później, natomiast aminokwasy wiążące się z metalami dołączyły znacznie wcześniej, niż wcześniej sądzono. W końcu zespół odkrył, że dzisiejszy kod genetyczny prawdopodobnie powstał po innych kodach, które wymarły.
Autorzy argumentują, że obecne zrozumienie ewolucji kodu jest błędne, ponieważ opiera się na wprowadzających w błąd eksperymentach laboratoryjnych, a nie na dowodach ewolucyjnych. Na przykład jeden z kamieni węgielnych konwencjonalnych poglądów na ewolucję kodu genetycznego opiera się na słynnym eksperymencie Ureya-Millera z 1952 r., w ramach którego próbowano symulować warunki panujące na wczesnej Ziemi, które prawdopodobnie były świadkami powstania życia.
Choć jest to cenne w wykazaniu, że materia nieożywiona może w drodze prostych reakcji chemicznych dać początek elementom budulcowym życia, w tym aminokwasom, konsekwencje eksperymentu zostały zakwestionowane. Na przykład nie dał żadnych aminokwasów zawierających siarkę, mimo że pierwiastek był obfity na wczesnej Ziemi. W rezultacie uważa się, że aminokwasy siarkowe dołączyły do kodu znacznie później. Wynik nie jest jednak zaskakujący, biorąc pod uwagę fakt, że w składnikach eksperymentu pominięto siarkę.
Według współautora Dante Lauretty, profesora nauk planetarnych i kosmochemii na Uniwersytecie A Lunar and Planetary Laboratory, bogata w siarkę przyroda wczesnego życia oferuje wiedzę dla astrobiologii, szczególnie jeśli chodzi o zrozumienie potencjalnej możliwości zamieszkania i biosygnatur środowisk pozaziemskich.
„Na światach takich jak Mars, Enceladus i Europa, gdzie przeważają związki siarki, mogłoby to pomóc w naszych poszukiwaniach życia poprzez uwypuklenie analogicznych cykli biogeochemicznych lub metabolizmów drobnoustrojów” – powiedział. „Takie spostrzeżenia mogą udoskonalić to, czego szukamy w biosygnaturach, pomagając w wykrywaniu form życia, które rozwijają się w bogatych w siarkę lub analogicznych substancjach chemicznych poza Ziemią”.
Zespół zastosował nową metodę do analizy sekwencji amin w drzewie życia, aż do ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka, czyli LUCA, hipotetycznej populacji organizmów, które żyły około 4 miliardy lat temu i reprezentują wspólnego przodka wszystkich gatunków. życie na Ziemi dzisiaj. W przeciwieństwie do poprzednich badań, w których wykorzystywano sekwencje białkowe pełnej długości, Wehbi i jej grupa skupili się na domenach białkowych, czyli krótszych odcinkach aminokwasów.
„Jeśli pomyślimy o białku będącym samochodem, domena jest jak koło” – powiedział Wehbi. „To część, którą można zastosować w wielu różnych samochodach, a koła są produkowane znacznie dłużej niż samochody osobowe”.
Aby ustalić, kiedy prawdopodobnie konkretny aminokwas został włączony do kodu genetycznego, badacze wykorzystali narzędzia analizy danych statystycznych w celu porównania wzbogacenia każdego pojedynczego aminokwasu w sekwencje białkowe sięgające czasów LUCA i jeszcze wcześniejszych. Aminokwas, który pojawia się preferencyjnie w starożytnych sekwencjach, prawdopodobnie został włączony wcześnie. I odwrotnie, w sekwencjach LUCA brakuje aminokwasów, które zostały zrekrutowane później, ale stały się dostępne do czasu pojawienia się mniej starożytnych sekwencji białek.
Zespół zidentyfikował ponad 400 rodzin sekwencji sięgających czasów LUCA. Ponad 100 z nich powstało jeszcze wcześniej i uległo dywersyfikacji już przed LUCA. Okazało się, że zawierają one więcej aminokwasów o aromatycznych strukturach pierścieniowych, takich jak tryptofan i tyrozyna, mimo że te aminokwasy zostały dodane później do naszego kodu.
„To daje wskazówki dotyczące innych kodów genetycznych, które pojawiły się przed naszym, a które od tego czasu zniknęły w otchłani czasu geologicznego” – powiedział Masel. „Wydaje się, że wczesne życie lubiło pierścionki”.