מקור החיים: עולם ה-RNA

כשאנו מנסים להבין את המנגנון שמפעיל את התאים של כל היצורים החיים אנו מגלים בעיה קלאסית של "ביצה ותרנגולת". מצד אחד, מנגנון יצירת החלבונים תלוי בקיומן של חומצות הגרעין ובחומר התורשתי שהן מקודדות. מצד שני, חומצות הגרעין לא קוראות ומתרגמות את עצמן, אלא תהליך הקריאה והייצור שלהן שלהן תלוי בחלבונים. אז מה קדם למה, חומצות הגרעין או החלבונים?

התיאוריה המובילה – אך לא היחידה – גורסת כי מולקולות ה-RNA היו המולקולות הבסיסיות של צורות החיים הקדמוניות הראשונות על פני כדור הארץ, ואילו ה-DNA התפתח מאוחר יותר. התיאוריה הזו קרויה "עולם ה-RNA".

כדי להבין את התיאוריה עלינו להסביר קודם מהו RNA ובמה הוא שונה מה-DNA. שתי המולקולות הן "חומצות גרעין": מולקולות ענק המורכבות מיחידות חוזרות, שקרויות נוקלאוטידים. כל נוקלאוטיד מורכב משלוש אבני בניין – קבוצת זרחה (פוספט), סוכר (ריבוז), ובסיס חנקני. הן נבדלות זו מזו בהרכב הכימי שלהן ובכך שה-DNA מסודר בצורת סליל כפול, בעוד ה-RNA מופיע בדרך כלל כשרשרת יחידה.

מה קדם למה?

DNA הוא החומר התורשתי המצוי בגרעין התא, ומכיל את הוראות הביצוע שעל פיהן מקודדים הגנים. כשהתא צריך לייצר חלבון מסוים, אנזימים מיוחדים פותחים את סליל ה-DNA הכפול ומעתיקים ממנו קטע קצר של RNA. מולקולת ה-RNA, שהיא מעין עותק נאמן למקור של הגן, יוצאת מהגרעין אל הריבוזום ושם עוברת תהליך של תרגום לבניית שרשראות של חומצות אמינו שהופכות לחלבונים.

אבל כאן מופיעה השאלה מה קדם למה – חומצות הגרעין או החלבונים? מאחר שמנגנון יצירת החלבונים תלוי בחלבונים, לא ייתכן שמנגנון יצירת החלבונים הקיים בימינו הוא אותו מנגנון שפעל בראשית החיים בכדור הארץ. ואכן, זמן קצר לאחר פיצוח מבנה ה-DNA, כשהבינו איך בסיסי החנקן מקודדים חומצות אמינו, החלו גנטיקאים לשאול את עצמם מהו המנגנון המולקולרי הקדום והבסיסי של החיים.

תיאוריית "עולם ה-RNA" החלה להתגבש כבר בשנות ה-60 וה-70 של המאה הקודמת, וחתן פרס נובל וולטר גילברט (Gilbert) טבע את שמה ב-1986. בקצרה, התיאוריה גורסת שמולקולות RNA היו הבסיס של צורות החיים הראשונות על פני כדור הארץ. הקביעה הזאת נגזרת מכמה תכונות ייחודיות של המולקולה, השונות מהותית מה-DNA.

עותק נאמן למקור. מולקולות RNA על רקע סלילים כפולים של DNA | איור: מריה גורוחובסקי

RNA כחלבון וכחומר תורשתי

ראשית, מולקולת RNA מסוגלת ליצור מבנים עם עצמה ועם מולקולות RNA אחרות שמשלימות אותה. מבנים אלה מעניקים לה גמישות מבנית רבה – מולקולות RNA יכולות להתקפל למבנים דמויי חלבונים, עם אתרים פעילים מבחינה ביוכימית. בנוסף היא יכולה, בדומה לחלבונים, לשבץ בתוכה יונים של מתכות. על כן מולקולות RNA יכולות לזרז ריאקציות ביוכימיות בדומה לאנזימים. RNA דמוי אנזים שכזה נקרא ריבוזים.

הביוכימאים תומס צ'ק (Cech) וסידני אלטמן (Altman) גילו בתחילת שנות ה-80 את הריבוזימים הראשונים בחיידקים. אלו היו מולקולות RNA שיכלו לקצץ את עצמן ולהוציא מעצמן חלקים מיותרים בתהליך הקרוי שחבור. על תגליתם, הנוגדת את הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית, זכו השניים בפרס נובל בכימיה לשנת 1988.

עם פיצוח מבנה הריבוזום התברר שלא צריך ללכת רחוק כדי למצוא ריבוזימים כאלה. אחד ממרכיבי הריבוזום בתא הוא מולקולות שנקראות "RNA ריבוזומלי (rRNA), וממלאות תפקיד חשוב בחיבור חומצות אמינו זו לזו, ליצירת חלבונים.

בנוסף, מולקולת ה-RNA יכולה לשמש גם כחומר תורשתי, במיוחד בווירוסים. נגיף הפוליו, למשל לא, נושא DNA, אלא RNA. רטרו-וירוסים, כמו נגיף האיידס, מכילים RNA כחומר תורשתי, שהופך ל-DNA באמצעות אנזימים שמופעלים לאחר ההדבקה. ה-DNA הנגיפי הזה משתלב ב-DNA של התא המאכסן ונשאר שם במצב רדום – עד שהוא "מתעורר", משועתק שוב ל-RNA ומייצר וירוסים חדשים.

מקור ה-RNA

האם אכן ה-RNA הקדים את ה-DNA? אם כן, איך נוצר ה-RNA הראשון? אף שזו תיאוריה אלגנטית, שיש לה תימוכין, היא נתקלת בקשיים לא מעטים. הקושי העיקרי הוא שמדובר במולקולה מורכבת מאוד. ארבעת הבסיסים החנקניים שבה לא נקשרים זה לזה באופן ספונטני, ועל פי הערכות דרושות תגובות כימיות רבות כדי ליצור מולקולה כזו. טיעון נוסף נגד תיאוריית עולם ה-RNA הוא שמבנה המולקולה אמנם גמיש מאוד, אך יש לכך גם מחיר בדמות חוסר יציבות. מולקולות RNA רגישות מאוד לפירוק כימי ובתאים חיים חשופות גם לאנזימים שיודעים לפרק אותן בקלות. ה-DNA, לעומת זאת, היא מולקולה יציבה להפליא.

השאלה איך כיצד ומתי נוצרו החומרים האורגניים בעולמנו מעסיקה את המדע כבר עשורים רבים. בשנות ה-20 של המאה שעברה פרסמו במקביל המדען הסובייטי אלכסנדר אוֹפַּרִין (Oparin, או ליתר דיוק Опа́рин) והחוקר הבריטי ג'ון הלדיין (Haldane) את השערת "המרק הקדום", שלפיה כדור הארץ הקדום הכיל כמויות רבות של תרכובות אורגניות פשוטות מאוד המצויות בשפע במערכת השמש, כגון מתאן ואמוניה המצויים למשל גם בכוכבי הלכת צדק ושבתאי. בעקבות תנאים מיוחדים, כגון הרכב האטמוספרה, קרינה על-סגולה, גירוי חשמלי שיצרו ברקים וטמפרטורות גבוהות, התרכובות האורגניות הפכו מורכבות יותר וחלקן נהיו חומצות גרעין וחומצות אמינו.

ההנחה זכתה עם השנים לתמיכה ניסויית, וכבר בשנות ה-50 הצליחו סטנלי מילר (Miller) והרולד יורי (Urey) ליצור חומצות אמינו פשוטות מתנאים כימיים המדמים את ה"מרק הקדום" והאטמוספרה הקדומה.

מולקולת RNA מורכבת הרבה יותר מחומצות אמינו פשוטות. בניסוי הקלאסי של מילר ויורי, שבו נוצרו כאמור חומצות אמינו פשוטות, לא נוצרו נוקלאוטידים. עיקר הקושי הוא להבין איך נוצרו ארבעת בסיסי החנקן. הכימאי הבריטי ג'ון סאת'רלנד (Sutherland) הראה במאמר מהפכני ב-2009 שניתן לייצר אורציל וציטוזין, שני בסיסים חנקניים מתוך הארבעה, ממולקולות קצרות בהרבה שמכילות רק שניים או שלושה אטומי פחמן. בחודש מאי 2016 הראה סאת'רלנד שאפשר לייצר את הבסיסים מחומרים פשוטים אף יותר– ציאניד חד-מימני (HCN) וגופרית דו-מימנית (H2S) בעזרת קרינה על-סגולה.

סאת'רלנד לא הצליח לייצר את שני הבסיסים האחרים, אדנין וגואנין. אולם כמעט באותו זמן דיווח המדען הגרמני תומס קרל (Carell) בכתב העת Science על סינתוז מוצלח ראשון של שני הבסיסים הנוספים. גם קרל התחיל מציאניד חד-מימני, וקיבל תוצרי ביניים שבתנאים חומציים מסוימים הפכו לבסיסים שביקש ליצור.

מולקולות מעולם אחר

אחת הטענות המעניינות היא שהמקור למולקולות הקדמוניות הללו הוא החלל החיצון. על פי תיאוריה הקרויה פנספרמיה (Panspermia), כוכבי שביט ומטאוריטים ברחבי מערכת השמש מכילים תרכובות אורגניות, וכשאלו התרסקו עם השנים על כדור הארץ הם תרמו לו את התרכובות האלהו וכך יצרו את החיים שאנו מכירים כיום. ציאניד חד-מימני ותוצרי ביניים מקדימים לבסיסים נמצאו על כוכבי שביט. לאחרונה אף דווח שכשמחקים את התנאים הכימיים בחלל אפשר ליצור ריבוז (המרכיב הסוכרי ב-RNA) בתנאי מעבדה.

עם זאת, מבקרי תיאוריית "עולם ה-RNA" טוענים שהתנאים שהציג קרל ליצירת אדנין וגואנין שונים מאלו שדרושים ליצירת אורציל וציטוזין שהציג סאת'רלנד במאמריו. בעיות אחרות בתיאוריה, כגון חוסר היציבות הכימי של ציטוזין והקושי לקיים זרחן בתמיסה, מוסיפות קשיים.

את הטענה האלטרנטיבית המובילה אפשר לכנות השערת "העולם שקדם ל-RNA". לפי הסברה הזאת, חומצות גרעין פשוטות יותר, בעלות תכונות דומות ל-RNA, קדמו לה כמולקולות החיים הראשונות. דוגמה למולקולה אפשרית כזו היא ה-PNA, שבה חומצות אמיניות מחליפות את מקומו של הסוכר ריבוז. גם החומצה הזו מכילה בסיסים חנקניים, אך היא יציבה יותר מבחינה כימית ואינה מכילה חנקות ועל כן היא פשוטה יותר. עם זאת, אין שום עדות לקיומה של המולקולה בטבע.

התקדמות חשובה לאישור ההשערה נעשתה ב-2013, כשמדענים מג'ורג'יה טק הצליחו לסנתז מולקולה דמוית RNA בתמיסה מימית. אם כך, קיומן של מולקולות פשוטות יותר מ-RNA, שמתנהגות בדומה לה, אפשרי. אולם גם אם המולקולות הללו היו קיימות אי שם בעבר הרחוק של כדור הארץ, אין להן זכר כיום. נכון להיום, הקונצנזוס בקרב המדענים החוקרים את המוצא המולקולרי של החיים תומך בתיאוריית "עולם ה-RNA", אך גם היא מעוררת עדיין שאלות רבות.