رمزِ حیات زیر ذره‌بین! کشفِ جدید یه معمای قدیمی رو حل می‌کنه؟

تکامل رمز ژنتیکی: یه نگاهی تازه به یه موضوعِ قدیمی

با وجودِ اون تنوعِ شگفت‌انگیز، تقریباً همه‌ی موجودات زنده – از باکتری‌ها گرفته تا وال‌های آبی – از یه رمز ژنتیکی مشابه استفاده می‌کنن. چطور و کی این رمز شکل گرفت، موضوع بحث‌های علمی زیادی بوده. سوسن وهبی، دانشجوی دکتری تو برنامه‌ی بین‌رشته‌ای ژنتیک دانشگاه آریزونا، با یه رویکردِ نو به این موضوعِ قدیمی، شواهدِ محکمی پیدا کرده که نشون می‌ده اون نسخه‌ی معمولِ کتاب‌های درسی درباره‌ی چگونگی تکامل رمز ژنتیکی جهانی، نیاز به بازبینی داره.

وهبی نویسنده‌ی اصلی یه مطالعه‌ست که تو مجله PNAS چاپ‌شده و پیشنهادی می‌ده که ترتیب جذبِ اسیدهای آمینه – که سازنده‌ی این رمز هستن – با چیزی که به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان “اجماع” تکامل رمز ژنتیکی شناخته می‌شه، در تضاده. جوآن ماسل، نویسنده‌ی ارشد این مقاله و استادِ بوم‌شناسی و زیست‌شناسی تکاملی در دانشگاه آریزونا، گفت: “رمز ژنتیکی یه چیزِ شگفت‌انگیزه که توش یه رشته‌ی DNA یا RNA شامل توالی‌های چهار نوکلئوتید به توالی‌های پروتئینی با استفاده از بیست اسید آمینه‌ی مختلف، ترجمه می‌شه.” اون اضافه کرد: “این یه فرآیندِ فوق‌العاده پیچیده‌ست و رمزِ ما به‌شکلِ عجیبی خوبه. این رمز تقریباً برای خیلی از مسائل بهینه‌ست و باید تدریجی تکامل پیدا کرده باشه.”

این مطالعه نشون داد زندگیِ اولیه، مولکول‌های کوچک‌ترِ اسیدهای آمینه رو به مولکول‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر ترجیح می‌داد، که بعداً به رمز اضافه شدن. همینطور، اسیدآمینه‌هایی که با فلزات پیوند می‌زنن، خیلی‌زودتر از اون چیزی که قبلن فکر می‌کردن، به این رمز اضافه شدن. در نهایت، تیمِ تحقیقاتی فهمید که رمز ژنتیکی‌ی امروز، احتمالاً بعد از رمزهای دیگه‌ای شکل گرفته که الان منقرض شدن.

نویسنده‌های این مقاله استدلال می‌کنن که درکِ فعلی ما از اینکه رمز چطور تکامل پیدا کرده، اشتباهه، چون به آزمایش‌های آزمایشگاهی‌ای تکیه داره که گمراه‌کننده‌ان و نه به شواهدِ تکاملی. مثلاً، یکی از پایه‌های دیدگاه‌های مرسوم درباره‌ی تکامل رمز ژنتیکی، به آزمایشِ معروف اوری-میلر تو سال ۱۹۵۲ برمی‌گرده که سعی داشت شرایط زمینِ اولیه رو شبیه‌سازی کنه، که احتمالاً پیدایشِ حیات توش اتفاق افتاده. با اینکه این آزمایش تو نشون‌دادنِ اینکه ماده‌ی بی‌جون می‌تونه به اجزای سازنده‌ی زندگی، از جمله اسیدآمینه‌ها، از راه واکنش‌های شیمیایی ساده تبدیل بشه، ارزش داشت، اما نتایجش زیر سؤال رفته. مثلاً، این آزمایش هیچ اسیدآمینه‌ای حاوی گوگرد تولید نکرد، با وجود اینکه این عنصر تو زمینِ اولیه فراوون بوده. به‌همین‌خاطر، فکرمی‌کنن که اسیدآمینه‌های حاوی گوگرد خیلی دیرتر به رمز اضافه شدن.

نتایجِ شگفت‌انگیز تو تحقیقات درباره‌ی گوگرد و حیاتِ اولیه

با توجه به اینکه گوگرد از مواد اصلی این آزمایش حذف شده بود، نتیجه‌ی چندان عجیبی هم نیست. به‌گفته‌ی دانته لورتا، استاد برجسته‌ی علومِ سیاره‌ای و شیمی‌زیستی تو آزمایشگاهِ ماه و سیاراتِ دانشگاهِ آریزونا، فراوونیِ گوگرد تو حیاتِ اولیه می‌تونه بینش‌هایی برای زیست‌شناسی فرازمینی ارائه بده، به‌خصوص تو فهمِ قابلیتِ سکونت و نشانه‌های زیستی تو محیط‌های فرازمینی. اون گفت: “تو دنیاهایی مثل مریخ، انسلادوس و اروپا که ترکیبات گوگردی زیاد هستن، این می‌تونه بهمون تو جستجوی حیات کمک کنه و چرخه‌های بیوژئوشیمیایی یا متابولیسم‌های میکروبی مشابه رو برجسته کنه.” اون اضافه کرد: “این بینش‌ها شاید چیزی رو که ما دنبالِش هستیم تو نشانه‌های زیستی، تغییر بده و کمک کنه موجوداتی رو که تو شیمی‌های پُراز گوگرد یا شبیه اون، خارج از زمین زندگی می‌کنن، شناسایی کنیم.”

یه روشِ جدید برای تحلیل توالی‌های آمینو

این تیم از یه روشِ جدید برای تحلیلِ توالی‌های آمینو تو درخت حیات استفاده کرد، که به زمان آخرین جدِ مشترک جهانی، یا LUCA برمی‌گرده. LUCA یه گروهِ فرضی از موجوداته که حدود ۴ میلیارد سال پیش زندگی می‌کردن و نماینده‌ی جدِ مشترکِ همه‌ی حیات روی زمین تو اون زمانن. برعکسِ مطالعاتِ قبلی که از توالی‌های کاملِ پروتئین استفاده می‌کردن، وهبی و گروهش روی دامنه‌های پروتئینی، که بخش‌های کوتاه‌تری از آمینواسیدن، تمرکز کردن. وهبی گفت: “اگه پروتئین رو یه ماشین درنظر بگیری، دامنه مثل یه چرخ می‌مونه. این بخشی‌ـه که می‌تونه تو ماشین‌های مختلف استفاده بشه و چرخ‌ها خیلی قبل‌تر از ماشین‌ها وجود داشتن.”

تحلیل داده‌ها برای فهمیدنِ تاریخچه‌ی اسیدآمینه‌ها

برای اینکه بفهمن کی یه اسیدآمینه‌ی خاص احتمالاً به رمز ژنتیکی اضافه شده، محقق‌ها از ابزارهای تحلیلِ داده‌های آماری استفاده کردن تا مقدار هر اسیدآمینه رو تو توالی‌های پروتئینی که به LUCA برمی‌گردن و حتی فراتر از اون مقایسه کنن. اسیدآمینه‌ای که تو توالی‌های قدیمی بیشتر به چشم می‌خوره، احتمالاً تو مراحلِ اولیه‌ی اضافه‌شدن به رمز بوده. در مقابل، توالی‌های LUCA برای اسیدآمینه‌هایی که بعداً به رمز اضافه شدن، خالی‌ان، اما تو زمان ظاهرشدن توالی‌های پروتئینیِ کم‌تر قدیمی، در دسترس بودن. این تیم بیشتر از ۴۰۰ خانواده‌از توالی‌ها رو که به LUCA برمی‌گردن، شناسایی کرد. بیشتر از ۱۰۰ مورد از اون‌ها حتی زودتر از LUCA شکل گرفته بودن و قبل از LUCA تنوع پیدا کرده بودن. این توالی‌ها شامل اسیدآمینه‌های بیشتری با ساختارهای حلقه‌ای معطر، مثل تریپتوفان و تیروزین بودن، با اینکه این اسیدآمینه‌ها به‌عنوان اضافه‌شده‌های دیرهنگام به رمزما شناخته می‌شن. ماسِل گفت: “این بهمون سرنخ‌هایی درباره‌ی رمزهای ژنتیکی دیگه‌ای می‌ده که قبل از رمزِ ما وجود داشتن و الان تو اعماقِ زمانِ زمین‌شناسی ناپدید شدن. به‌نظر می‌رسه حیاتِ اولیه به حلقه‌ها علاقه داشته.”

“`