رمزگشایی رازهای ژنتیکی: کشف منشاء کد ژنتیکی

تکامل کد ژنتیکی: نگاهی تازه به یک مسئله قدیمی

با وجود تنوع شگفت‌انگیز، تقریباً تمام موجودات زنده – از باکتری‌ها تا نهنگ‌های آبی – از یک کد ژنتیکی مشابه برخوردارند. چگونگی و زمان شکل‌گیری این کد موضوع بحث‌های علمی زیادی بوده است. سوسن وهبی، دانشجوی دکتری در برنامه بین‌رشته‌ای ژنتیک دانشگاه آریزونا، با رویکردی تازه به این مسئله قدیمی، شواهد قوی‌ای پیدا کرده است که نشان می‌دهد نسخه متداول کتاب‌های درسی درباره چگونگی تکامل کد ژنتیکی جهانی نیاز به بازنگری دارد.

وهبی نویسنده اول مطالعه‌ای است که در مجله PNAS منتشر شده و پیشنهاد می‌کند که ترتیب جذب اسیدهای آمینه – که اجزای سازنده این کد هستند – با آنچه که به‌طور گسترده‌ای به عنوان “اجماع” تکامل کد ژنتیکی شناخته می‌شود، در تضاد است. جوآن ماسل، نویسنده ارشد این مقاله و استاد بوم‌شناسی و زیست‌شناسی تکاملی در دانشگاه آریزونا، گفت: “کد ژنتیکی یک چیز شگفت‌انگیز است که در آن یک رشته DNA یا RNA حاوی توالی‌های چهار نوکلئوتید به توالی‌های پروتئینی با استفاده از ۲۰ اسید آمینه مختلف ترجمه می‌شود.” او افزود: “این یک فرآیند فوق‌العاده پیچیده است و کد ما به طرز شگفت‌آوری خوب است. این کد تقریباً بهینه برای بسیاری از مسائل است و باید به تدریج تکامل یافته باشد.”

این مطالعه نشان داد که زندگی اولیه به مولکول‌های کوچک‌تر اسیدهای آمینه نسبت به مولکول‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر ترجیح می‌داد، که بعداً به کد اضافه شدند. همچنین، اسیدهای آمینه‌ای که با فلزات پیوند می‌خورند، بسیار زودتر از آنچه که قبلاً تصور می‌شد، به کد پیوسته‌اند. در نهایت، تیم تحقیقاتی کشف کرد که کد ژنتیکی امروز احتمالاً پس از کدهای دیگری شکل گرفته که اکنون منقرض شده‌اند.

نویسندگان این مقاله استدلال می‌کنند که درک کنونی از چگونگی تکامل کد نادرست است، زیرا به آزمایش‌های آزمایشگاهی گمراه‌کننده تکیه دارد و نه شواهد تکاملی. به عنوان مثال، یکی از ارکان دیدگاه‌های متعارف درباره تکامل کد ژنتیکی به آزمایش معروف یوری-میلر در سال ۱۹۵۲ مربوط می‌شود که سعی داشت شرایط زمین اولیه را شبیه‌سازی کند که احتمالاً شاهد پیدایش زندگی بوده است. اگرچه این آزمایش در نشان دادن اینکه ماده غیرزنده می‌تواند به اجزای سازنده زندگی، از جمله اسیدهای آمینه، از طریق واکنش‌های شیمیایی ساده تبدیل شود، ارزشمند بود، اما نتایج آن مورد سوال قرار گرفته است. به عنوان مثال، این آزمایش هیچ اسید آمینه‌ای حاوی گوگرد تولید نکرد، با وجود اینکه این عنصر در زمین اولیه فراوان بود. به همین دلیل، تصور می‌شود که اسیدهای آمینه حاوی گوگرد بسیار دیرتر به کد پیوسته‌اند.

نتایج شگفت‌انگیز در تحقیقات درباره گوگرد و حیات اولیه

با توجه به اینکه گوگرد از مواد اولیه این آزمایش حذف شده بود، نتیجه چندان شگفت‌انگیز نیست. به گفته دانته لورتا، استاد برجسته علوم سیاره‌ای و شیمی‌زیستی در آزمایشگاه ماه و سیارات دانشگاه آریزونا، غنای گوگرد در حیات اولیه می‌تواند بینش‌هایی برای زیست‌شناسی فرازمینی ارائه دهد، به ویژه در درک قابلیت سکونت و نشانه‌های زیستی در محیط‌های فرازمینی. او گفت: “در جهان‌هایی مانند مریخ، انسلادوس و اروپا که ترکیبات گوگردی فراوان هستند، این می‌تواند به ما در جستجوی حیات کمک کند و چرخه‌های بیوژئوشیمیایی یا متابولیسم‌های میکروبی مشابه را برجسته کند.” او افزود: “این بینش‌ها ممکن است آنچه را که در نشانه‌های زیستی جستجو می‌کنیم، تصحیح کند و به شناسایی موجودات زنده‌ای که در شیمی‌های غنی از گوگرد یا مشابه آن در خارج از زمین زندگی می‌کنند، کمک کند.”

روش جدید برای تحلیل توالی‌های آمینو

این تیم از یک روش جدید برای تحلیل توالی‌های آمینو در درخت حیات استفاده کرد که به زمان آخرین جد مشترک جهانی، یا LUCA، برمی‌گردد. LUCA یک جمعیت فرضی از موجودات است که حدود ۴ میلیارد سال پیش زندگی می‌کردند و نمایانگر جد مشترک همه حیات روی زمین در حال حاضر هستند. برخلاف مطالعات قبلی که از توالی‌های کامل پروتئین استفاده می‌کردند، وهبی و گروهش بر روی دامنه‌های پروتئینی، که بخش‌های کوتاه‌تری از آمینو اسیدها هستند، تمرکز کردند. وهبی گفت: “اگر پروتئین را به عنوان یک خودرو در نظر بگیرید، دامنه مانند یک چرخ است. این بخشی است که می‌تواند در خودروهای مختلف استفاده شود و چرخ‌ها مدت‌ها قبل از خودروها وجود داشته‌اند.”

تحلیل داده‌ها برای درک تاریخچه آمینو اسیدها

برای درک زمانی که یک آمینو اسید خاص احتمالاً به کد ژنتیکی اضافه شده است، محققان از ابزارهای تحلیل داده‌های آماری استفاده کردند تا غنای هر آمینو اسید را در توالی‌های پروتئینی که به LUCA برمی‌گردند و حتی فراتر از آن مقایسه کنند. آمینو اسیدی که در توالی‌های باستانی به طور ترجیحی ظاهر می‌شود، احتمالاً در مراحل اولیه وارد کد شده است. برعکس، توالی‌های LUCA برای آمینو اسیدهایی که بعداً به کد اضافه شدند، خالی هستند اما در زمان ظهور توالی‌های پروتئینی کمتر باستانی در دسترس بودند. این تیم بیش از ۴۰۰ خانواده از توالی‌ها را که به LUCA برمی‌گردند شناسایی کرد. بیش از ۱۰۰ مورد از آن‌ها حتی زودتر از LUCA منشأ گرفته و قبل از LUCA تنوع یافته بودند. این توالی‌ها حاوی آمینو اسیدهای بیشتری با ساختارهای حلقه‌ای معطر، مانند تریپتوفان و تیروزین بودند، با وجود اینکه این آمینو اسیدها به عنوان افزودنی‌های دیرهنگام به کد ما شناخته می‌شوند. ماسِل گفت: “این به ما سرنخ‌هایی درباره کدهای ژنتیکی دیگر که قبل از کد ما وجود داشته‌اند و اکنون در اعماق زمان زمین‌شناسی ناپدید شده‌اند، می‌دهد. به نظر می‌رسد حیات اولیه به حلقه‌ها علاقه‌مند بوده است.”