איך נוצרו החלבונים הראשונים?

יש לנו ידע לא מבוטל על המגנון התאי באמצעותו התא יוצר חלבונים. התהליך, שנקרא תרגום, מתבצע בידי מפעלי ייצור חלבונים תאיים הנקראים ריבוזומים. לפני שנדון בתיאוריות העוסקות במקור האבולוציוני של מנגנון ייצור החלבונים, נבין כיצד פועל המנגנון ולמה הוא נקרא "תרגום".

בכל תא בגופם של יצורים חיים מאוכסן כלל הקוד הגנטי: ה-DNA. ה-DNA מכיל "מתכונים" להכנת כל החלבונים של הגוף. בשביל שהקוד באמת יביא ליצירה של חלבון, צריך שמישהו יקרא את המתכונים הללו ויוציא אותם לפועל. בכל פעם שצריך לייצר חלבון חדש, ההוראות של ה-DNA מועתקות למולקולות קצרה יותר בשם RNA, בתהליך הנקרא שיעתוק. קיימים סוגי RNA שונים, ולא כולם רק משמשים לייצור חלבונים. אלו שכן, נקראים RNA שליח (messenger RNA, או mRNA), והם אלו שיהפכו את ההוראות למוצר מוגמר.

ה-mRNA מועבר דרך הריבוזום, שעושה דבר די מופלא: על סמך כל שלוש אבני יסוד המרכיבות את ה-RNA, הנקראות נוקלאוטידים, הריבוזום מחליט איזה חומצה אמינו דרושה ליצירת החלבון המבוקש. כלומר, לפני שחלבונים מקבלים את צורתם הייחודית, הם תחילה נוצרים כשרשרת של אבני בניין חלבוניים - חומצות האמינו - כאשר לכל חלבון רצף ייחודי של חומצות אמינו. כאמור, היצירה של השרשרת מבוצעת דרך אותו מפגש בין הריבוזום ל-mRNA. הריבוזום למעשה "מתרגם" שלשות של נוקלאוטודים לחומצות אמינו, ולכן המנגנון עצמו נקרא תרגום.

הסרטון מציג את תהליך השיעתוק והתרגום בתא:

בעיית הביצה והתרנגולת

הריבוזומים נמצאים בכל תא חי, החל מחיידקים ופטריות וכלה בתאים בגופם של יונקים. הריבוזומים של יצורים שונים נבדלים זה מזה במורכבותם, אבל חלקי הליבה שלהם דומים מאוד - עדות לכך שהריבוזום התפתח כנראה בשבלבים מוקדמים מאוד באבולוציה, ואולי אפילו קדם להיווצרות התא החי הראשון.

לכן שאלת היווצרות הריבוזום נוגעת בשאלה של היווצרות החיים עצמם, שהיא שאלה עמוקה ומעניינת אך גם קשה – שכן מדובר במאורעות שקרו ממש בתחילת ההיסטוריה האבולוציונית ואין עליהם עדויות רבות. מדענים עדיין דנים בשאלה ומנסים להכריע בין השערות מתחרות.

היווצרות הריבוזום מעלה בעיה דומה לבעיית הביצה והתרנגולת: איך נוצרה המכונה שמייצרת חלבונים אם היא מורכבת בעצמה מחלבונים? מאין הגיעו החלבונים שהרכיבו את הריבוזום הראשון?

חוקרים העלו את הסברה שהריבוזומים הראשונים הורכבו רק מאותם חלקים של הריבוזום שעשויים מRNA. ההשערה זכתה לתמיכה ממחקרים שהראו שחלקי הליבה של הריבוזום שאחראים על הפעילות שלו עשויים מ-RNA, ומחקרים נוספים שהראו שמולקולות RNA פשוטות יכולות לבצע את הריאקציות הנדרשות לייצור חלבונים.

החלקים החלבוניים בצבע סגול, והחלקים המורכבים מרצפי RNA בצבעי חום וצהוב. איור של ריבוזום | מקור: RCSB Protein Data Bank

תיאוריית עולם ה-RNA

אולם מה מקורו של הרנ"א שהרכיב את הריבוזום הראשון? כדי להבין זאת כדאי להכיר את אחד ההסברים המעניינים על היווצרות החיים בכדור הארץ מחומרים דוממים – תיאוריית עולם ה-RNA.

אחד המאפיינים שמבדילים יצורים חיים מדוממים הוא היכולת שלהם להתרבות. בניגוד לשולחנות או לכוכבי לכת, חיידקים, פטריות ובני אדם יכולים לייצר עוד פרטים כמותם. היכולת להתרבות היא גם הבסיס ההכרחי לכל תהליך אבולוציוני: עותקים שונים של אותו יצור נוצרים, אך ההעתקה אינה מושלמת; העותקים המתאימים יותר לסביבה מצליחים להשתכפל מהר יותר וטוב יותר מחבריהם, וכך מתאפשרת עלייה הדרגתית ברמת המורכבות וההתאמה לסביבה.

לאור זה יש מדענים שסבורים שהשלב הראשון בדרך להיווצרות החיים היה היווצרותן של מולקולות בעלות יכולת להשתכפל, כלומר לייצר עוד מולקולות דומות. לפי תיאוריית עולם ה-RNA, המקובלת כיום בתחום, המשכפלות הראשונות הללו היו מולקולות RNA. הן נוצרו כנראה מחומרים שהיו קיימים באותה עת בכדור הארץ ויכלו לשכפל את עצמן מאותם חומרים.

אבל עדיין נותרת שאלה: גם אם נקבל שמולקולות RNA המשתכפלות הללו יכלו לייצר חלבונים, הסיכוי שייווצרו בדרך זו חלבונים בעלי תפקיד כמו אלה שאנו רואים כיום בתאים חיים הוא אפסי. אם חומצות אמינו ייקשרו זו לזו בסדר אקראי, סביר להניח שלא ייווצרו מהם חלבונים בעלי פעילות אנזימטית שיהיו בעלי יתרון אבולוציוני כלשהו. לכן קשה להסביר בדרך זו את היווצרותו של מכניזם התרגום על כל חלקיו. אם כן מה היה היתרון האבולוציוני של המכונות הראשונות לייצור חלבונים?

חלבונים – למה זה טוב?

חוקרים מציעים כמה אפשרויות. הסבר אחד הוא שחלבונים שנקשרו למולקולות רנ"א, גם אם לא היו פעילים בעצמם, סיפקו למולקולות ה-RNA יתרונות בשל התכונות הכימיות שלהם, כמו מטען חשמלי או הידרופוביות (נטייה לדחות מולקולות מים). אנזים רנ"א שחלבון כזה נקשר אליו היה יכול למלא את תפקידו טוב יותר ולכן זכה ליתרון אבולוציוני. אפשרות נוספת היא שהחלבונים הראשונים ייצבו את מולקולות הרנ"א ומנעו מהן להתפרק בטמפרטורות גבוהות.

בנוסף, חוקרים הדגישו את ההשפעה של מולקולות חלבוניות על מגוון המבנים האפשריים שמולקולת RNA יכולה להימצא בהן: שלא כמו חלבונים, שיכולים להתקפל בצורות תלת-ממדיות מגוונות, מולקולות ה-RNA מוגבלות הרבה יותר במגוון המבנים היציבים שהן יכולות להימצא בהם, בגלל התכונות הכימיות שלהן.

המבנה המרחבי של המולקולה קובע את התפקיד שהיא ממלאת. בדיוק כמו שמספריים, מזלג או מפצח אגוזים ממלאים תפקידים אחרים בהתאם לצורה שלהם, גם אנזימים שחותכים מולקולות, משנעים אותן או משמידים אותן צריכים צורות מתאימות. מולקולות RNA שנצמד אליהן חלבון יכולות לאמץ תצורות מבניות הרבה יותר מגוונות, וכך גם למלא יותר תפקידים. תימוכין לטענה הזו אפשר למצוא בכך שכיום רוב האנזימים העשויים RNA זקוקים לשתף פעולה עם חלבונים לצורך פעולתם.

מכיוון שמשכפלות RNA שיכלו גם לייצר חלבונים זכו ליתרון אבולוציוני, יכלו אולי להתפתח מבני RNA שהתמחו בייצור חלבונים יותר ויותר. הדרך משם לאנזימים שיהיו מורכבים מחלבונים בלבד היתה כבר סלולה.

הצורה והגודל היחסי של מספר חלבונים. מימין לשמאל - גלוטמין סינסתאז, אדנילט קינאז, אינסולין, המוגלובין ואימונוגלובולין | מקור: scistyle

ומה לגבי הקוד הגנטי?

השלב האחרון בתהליך התרגום היה כנראה התפתחותו של הקוד הגנטי – הכללים שלפיהם נוצרים חלבונים mRNA, אותו ספר מתכונים שהצגנו בהתחלה. כאמור בתאים חיים, כל שלושה נוקלאוטידים (אבני הבניין של ה-RNA) מרכיבים קוד קטן המסמן איזו חומצת אמינו צריכה להצטרף לשרשרת החלבון. הקישור של חומצאות האמינו לשרשרת נעשה על ידי RNA מוביל (tRNA), שנקשר ל-mRNA ונושא את חומצת האמינו המתאימה. הקוד מאפשר לתא ליצור חלבונים בעלי רצף קבוע וחזוי מראש, עם מבנה ותפקיד. איך נוצר מכניזם מורכב כזה?

ל-RNA מוביל יש שני חלקים – החלק שמתחבר ל-mRNA והחלק שמתחבר לחומצת האמינו. מחקרים כיום משערים שהחלק השני - זה המתחבר לחומצות אמינו - הוא קדום יותר, מה שרומז על כך שבמקור רק הוא היה קיים. החלבונים הראשונים נוצרו כנראה לא על בסיס קוד אלא פשוט מחיבור אקראי של חומצות אמינו זו לזו בעזרת mRNA חלקיים כאלה. ההשערה היא שהחלק השני של ה-RNA המוביל, זה שמתחבר ל-mRNA, נוצר גם הוא במקור בלי קשר לקוד, פשוט כדי לייצב את ה-RNA המוביל בפעולתו ולאפשר חיבור טוב יותר של חומצות אמינו אקראיות זו לזו.

כנראה רק אחרי שנוצרו מולקולות RNA מוביל שכאלה, הקידוד היה יכול להתפתח. ברגע שקיים RNA מוביל שנושא חומצת אמינו מסוימת ונקשר טוב יותר לרצף נוקלאוטידים מסוים, אפשר "לקרוא" לו בעזרת רצף הנוקלאוטידים המתאים וכך לכוון מה תהיה חומצת האמינו הבאה בתור. לתהליך כזה, שמכוון את חיבורן של חומצות האמינו זו לזו ולא מסתפק בחיבור אקראי, היה יתרון אבולוציוני כיוון שהוא היה יכול ליצור חלבונים שהמבנה שלהם משרת תפקיד.