نوشته

طبق نتیجه آزمایش‌ها، سرعت واکنش‌های شیمیایی توضیح می‌دهد که چگونه جفت‌های آمینواسید و حتی DNA و RNA به یک سو متمایل می‌شوند.

اسرار پیدایش حیات

یک تعصب عجیب در دل حیات وجود دارد که منشاء آن هنوز معمایی حل نشده است. تقریبا همه بلوک‌های سازنده پروتئین یعنی آمینواسیدها، مانند دستکش‌های دست چپ و راست به صورت متقارن وجود دارند. در نگاه اول، توزیع فراوانی دست چپ و راست در نخستین روزهای شکل‌گیری زمین می‌بایست برابر باشد اما حیات و موجودات زنده همگی چپ‌دست هستند. حتی این حالات به راحتی می‌توانند در آزمایشگاه به هم متصل شوند، پس باید عامل ناشناخته‌ای این تعادل را در سوپ اولیه (محیطی که حیات از آن پدید آمد) منحرف کرده و تا کنون نیز سوگیری آن را حفظ کرده باشد.

به تازگی گروه سه نفره‌ای از محققان آمریکایی پاسخ جدیدی برای این ایده پیشنهاد کرده‌اند. آن‌ها در مجله نیچر (Nature) گزارش می‌دهند که با پایش و نظارت بر نرخ تشکیل جفت آمینواسیدها با عنوان دی‌پپتید (dipeptide)، مکانیزم‌های متعددی را یافته‌اند که در نهایت باعث ارتقای دی‌پپتیدهایی می‌شوند که هردو عضو آن‌ها دست یکسانی دارند.

جرالد جویس به عنوان رئیس موسسه مطالعات زیستی سالک (Salk Institute for Biological Studies) و شیمی‌دان پیشگام در زمینه‌ی منشاء حیات می‌گوید: «یافته‌های جدید سه پژوهشگر آمریکایی کاملا قانع‌کننده است».

آیا همین مکانیزم‌ها باعث می‌شوند زنجیره‌های بزرگتر پپتیدی و پروتئین‌ها به چپ‌دستی متمایل شوند؟ از آنجایی که قندهای موجود در بازهای (bases) سازنده RNA و DNA ناگزیر راست‌دست هستند، آیا این مکانیزم‌ها قادرند علت سوگیری (bias) معکوس آن‌ها را توضیح دهند؟ محققان به یادگیری در گام بعدی خوش‌بین هستند. اگر واقعا چنین باشد، مکانیزم‌های جدید می‌توانند توضیح دهند که چگونه خودِ حیات یک فرم متقارن خاص را برگزیده و از دیگری استفاده نکرده است.

در دهه‌های اخیر چند توضیح برای کایرالیته (chirality) زندگی مطرح شده است. کایرالیته به تمایل حیات به یک جهت خاص اشاره دارد. برای نمونه شهاب‌سنگ‌ها که احتمال می‌رود عناصر لازم را در زمین اولیه کاشته باشند، حاوی آمینواسیدهایی هستند که کایرالیته چپ‌دست دارند. قرارگیری آن‌ها در معرض نور قطبی و یا تغییر شکل‌دهی میدان مغناطیسی زمین به مولکول‌های زیستی می‌تواند از جمله علت‌های این اتفاق باشد. اما حتی اگر یک نیروی خارجی این گرایش اولیه را ایجاد کرده باشد، سوال این است که پس چه چیزی آن را تا امروز تداوم بخشیده؟

از کارهای تازه یک شیمی‌دان و پژوهشگر منشاء حیات دانشگاه کالج لندن به نام متیو پاونر (Matthew Powner) و همکارانش سرنخ‌هایی بدست می‌آید. گروه پاونر در 5 سال اخیرمجموعه‌ای از مولکول‌های مبتنی بر گوگرد را کشف کرده‌اند که احتمالا در زمین نخستین وجود داشته‌اند. آن‌ها نشان داده‌اند که چگونه این مولکول‌ها به راحتی می‌توانند آمینواسیدهای منفرد را به پیش‌سازهای آمینواسید (به نام آمینونیتریل‌هاaminonitriles-) پیوند دهند و دی‌پپتیدها را بسازند. از آنجایی که این واکنش‌ها در آب انجام می‌شوند و با تمام آمینواسیدهای موجود در ارگانیسم‌های زنده سازگار هستند، روند قابل قبولی را برای توضیح چگونگی تشکیل اولین پروتئین‌ها فراهم می‌کنند.

گروه پاونر بررسی نکرده‌اند که آیا کاتالیزورهای برپایه گوگرد که موفق به کشفش شدند، سوگیری کایرال خاصی دارند یا نه. در این قسمت، تحقیقات توسط دونا بلک‌موند شیمی‌دان حوزه پیدایش حیات در موسسه تحقیقات اسکریپس ((Scripps Research به همراه همکارانش یعنی مین دنگ و جیهان یو ادامه پیدا کرد. آن‌ها با هدف بررسی حساسیت کاتالیزورها به سوگیری در حین تشکیل دی‌پپتیدها، دو نمونه از ترکیبات گوگردی ساخته شده توسط تیم پاونر را آزمایش کردند. نتایج نشان داد که کاتالیزورها به کایرالیته حساس هستند، ولی نه آن‌گونه که بلک‌موند انتظار داشت.

این کاتالیزورها نسبت به محصولات کاملا کایرال تقریبا چهار برابر بیشتر دی‌پپتیدهای «هتروکایرال- heterochiral» تولید کردند. این دی‌پپتیدها یک آمینواسید چپ‌دست را بایک آمینواسید راست‌دست جفت می‌کردند. بلک‌موند می‌گوید: «ما فکر می‌کردیم این خبر بدیست زیرا نشان می‌داد حتی اگر آمینواسیدهای موجود در زمین اولیه دارای سوگیری چپ‌دست بوده‌اند، این سوگیری موقع شکل‌گیری پروتئین‌ها به هم می‌خورند».

اما با بررسی عمیق‌تر بلک‌موند و همکارانش خبرها بهتر شدند. محققان اسکریپس در مجموعه‌ای از آزمایشات با نسبت‌های متفاوتی از آمینواسیدهای L وD (مثلا 40 درصد D و 60 درصد L) شروع کردند. دی‌پپتیدهای هتروکایرال D،L و L،D از همه سریع‌تر تشکیل شدند و همان حال، تعداد برابر از آمینواسیدهای L و D را از مخلوط خارج کردند. به علت سوگیری اولیه، سرانجام تعداد بیشتری از آمینواسیدهای L در استخر آمینواسیدهای واکنش‌نداده باقی ماند که این اتفاق احتمالا تشکیل دی‌پپتیدهای کاملا چپ‌دست را افزایش می‌داد.

پاونر می‌گوید: «این مانند  یک اثر دومینووار است». اولین واکنش هتروکایرال در آخر منجر به تشویق شکل‌گیری تعداد بیشتری مولکول «هموکایرال- homochiral» می‌شود. او افزود: «این یک فرآیند کلی است که با تمام آمینواسیدها کار می‌کند». جویس در تایید این مطلب اضافه می‌کند: «این فقط یک مسئله‌ی ریاضی است».

آزمایش‌های بعدی یک سوگیری ثانویه را پیشنهاد کردند که اثر دومینووار را تقویت می‌کند. این تیم تحقیقاتی دریافت که دی‌پپتیدهای هتروکایرال زودتر از دی‌پپتیدهای هموکایرال از محلول رسوب می‌کنند. این رسوب مسیر را برای غلبه نسبی یکی از جفت‌های هموکایرال  L,L یا D,D  (بسته به ترکیب اولیه) هموار می‌کند. بلک‌موند می‌گوید هنوز علت رخ دادن این سوگیری رسوبی مشخص نیست. با این حال، به گفته جویس این پدیده به همراه اثر قبلی به زیبایی با داده‌های تجربی همخوانی دارد. بلک‌موند می‌افزاید: «پاسخ نادرست، پاسخ درستی بود که ما را به هموکایرالیته (داشتن تک‌دستی غالب) سوق داد».

در حال حاضر، تمایل به یک جهت خاص تنها با دی‌پپتیدها نشان داده شده است. اما بلک‌موند خاطرنشان کرد تحقیقات اولیه نشان می‌دهند که وقتی کاتالیزورهای گوگردی پپتیدهای کوتاه را به هم متصل می‌کنند و زنجیره‌های پپتیدی بلندتر می‌سازند، همین فرآیند به شکل گزینشی اتفاق می‌افتد.

جویس معتقد است که احتمالا همین محاسبات می‌توانند توضیح دهند که چگونه مولکول‌های ژنتیکی جانداران به جهت خاص خود رسیده‌اند.

او می‌گوید: «این اتفاق می‌تواند با انواع ساختارهای دیگر مانند RNA هم رخ بدهد». احتمالا فقط یک تغییر تصادفی آماری باعث شده تا تمایلی اولیه برای تشکیل اجزای سازنده‌ی یک دستی خاص به وجود آید. جویس گفت: «اما همینکه سکه به یک سمت افتاد، باعث شده تا سکه‌های دیگر نیز به همان سمت بیفتند».