מה היו המולקולות הראשונות בכדור הארץ בתחילת המסע מן הדומם אל החיים כפי שהם מוכרים לנו? לפי מחקר חדש, התשובה היא מתכות ומקטעי חלבון קצרצרים
"בהתחלה היה שום דבר, ואז הוא התפוצץ" – כך פותח הסופר טרי פראצ'ט את ספרו "אדונים וגבירות". התיאור המעט קומי הזה של ראשית היקום והקיום הוא כנראה לא כל כך מדויק, אך הוא מצליח לקפל בתוכו חידה מדעית גדולה: כיצד נוצרו היסודות הכימיים הראשונים מתוך המפץ הגדול, וכיצד, מתוך עולם החומר הדומם, התחילו החיים על פני כדור הארץ?
שאלת ראשית החיים העסיקה ומעסיקה מדענים רבים, המחפשים בדרך כלל את התשובה בתוך קבוצה מוגדרת של מולקולות שנמצאות בכל היצורים החיים, ורק בהם: RNA ,DNA וחלבונים. לכל אחת מהמולקולות האלו יש תפקיד ביולוגי מוגדר: המידע הגנטי ששמור ב-DNA משועתק ל-RNA ומתורגם לחלבונים, אשר אחראים על מגוון תפקידים בכל תא חי. אך מבחינה כימית יש ל-DNA, ל-RNA ולחלבונים מכנה משותף: כולם מורכבים בעיקר משישה סוגים של אטומים – מימן, פחמן, חנקן, חמצן, זרחן וגופרית. ששת האטומים האלו הם חלק זעום מ-118 היסודות שבטבלה המחזורית. האם ייתכן שראשית החיים בשישה יסודות בלבד?
מולקולות שנמצאות בכל היצורים החיים, ורק בהם: RNA, DNA וחלבונים. תהליך שעתוק DNA ל-RNA ותרגום לחלבון | KEITH CHAMBERS, Science Photo Library
חלבונים קושרי מתכות
לפי מחקר שפרסמה לאחרונה קבוצה בהובלת חוקרים מאוניברסיטת ראטגרס בארה"ב, התשובה היא כנראה לא. לדברי החוקרים, ראשית החיים קשורה ליכולת של מקטעי חלבונים קדומים ליצור קשרים כימיים עם מתכות. המפגש בין החלבונים למתכות התאפשר ככל הנראה לפני כמעט 4 מיליארד שנים, במה שמכונה "המרק הקדום" – סביבה מימית עשירה במולקולות אורגניות ובמינרלים – והוא שהניח את התשתית להיווצרותם של חלבונים רבים. ספציפית, החוקרים טוענים שהתרכובות הקדומות האלו אפשרו את ההתפתחות של חלבונים שאחראים על הובלת אלקטרונים בין אטומים ומולקולות, מכיוון שמתכות ידועות ביכולתן הטובה להוליך אלקטרונים. הובלת אלקטרונים היא חיונית לקיומם של חיים כפי שאנו מכירים אותם כיום, למשל בתהליך הפוטוסינתזה בצמחים, שבו צמחים מנצלים פחמן דו-חמצני, מים ואנרגיה מהשמש ליצירת סוכר, תוך כדי פליטת חמצן כתוצר לוואי.
סביבה מימית עשירה במולקולות אורגניות ובמינרלים אפשרה את התפתחותם של חלבונים. המרק הקדום לפני כמעט 4 מיליארד שנים | Mark Garlick, Science Photo Library
הרשת של החלבונים
כדי להתחקות אחר ראשיתם של החלבונים קושרי המתכות, החוקרים ניתחו את המבנים הידועים של 4,672 חלבונים שקושרים מתכות שונות כמו ברזל, נחושת וניקל. הניתוח התמקד בחלקי החלבון המעורבים בקשירת המתכות, בהנחה שאזורים אלה בחלבונים מעורבים בפעולה דומה, ולכן יש סבירות גבוהה שיהיו בעלי מבנה דומה. החוקרים ייצגו את החלק במבנה החלבון שתורם ליצירת קשר כימי עם המתכת באמצעות כדור קטן, וסידרו את כל הכדורים שהתקבלו בשלב זה ברשת, שניתן לדמות אותה לרשת תחבורה שיש בה כבישים וצמתים. בכל צומת ניצב כדור, שממנו יוצאים כבישים לכדורים שכנים. מיקום הכדורים ברשת נקבע לפי התכונות המבניות של החלבונים שהם מייצגים, וככל שהכביש שמחבר בין שני כדורים הוא קצר יותר, כך הדמיון המבני בין מקטעי החלבונים שהכדורים מייצגים רב יותר, וסביר יותר שיש להם מקור קדום משותף.
בעזרת הרשת המתוחכמת הזאת, החוקרים הצליחו לזהות קבוצה מצומצמת של "כדורים" שלכל אחד מהם יש כדורים רבים אחרים דומים לו, ומכאן שכל כדור כזה כנראה דומה לאב הקדמון המשותף של הקבוצה הזאת. מבין חלקי החלבון שמיוצגים על ידי הכדורים האלו, החוקרים זיהו קבוצה קטנה של פפטידים, מקטעים חלבוניים קצרים, שיכולים לקשור מתכות.
ייצוג גרפי ממוחשב של השוואה בין תכונות מבנה של 4,672 חלבונים קושרי מתכות. החוקרים משערים כי הדמיון נובע ממקור קדום משותף. הצבעים השונים מייצגים מתכות שונות | תמונה מתוך המאמר Bromberg et al
הפפטידים קדמו לחלבונים
פרופ' יאנה ברומברג (Bromberg), שהובילה את המחקר, מסכמת את הממצאים: "זיהינו שאזורים קושרי מתכות בחלבונים הם אכן דומים, אף שהחלבונים עצמם יכולים להיות שונים מאוד זה מזה. נוסף על כך, זיהינו שהאזורים קושרי המתכות האלו מורכבים לרוב מיחידות מבניות קטנות שחוזרות על עצמן, קצת כמו אבני לגו. עוד ממצא מעניין הוא שאבני הבניין האלו נמצאות גם באזורים אחרים בחלבונים, לא רק באזורים קושרי מתכות, וגם בעוד חלבונים רבים שלא נכללו בפרסום הנוכחי."
על סמך ניתוח קפדני של הפפטידים שהתגלו כאופייניים לאזורים קושרי מתכות בחלבון, הסיקו החוקרים שהפעילות הביולוגית הראשונה של חלבונים הייתה כנראה הולכת אלקטרונים על ידי פפטידים קושרי מתכות. שאר התפקידים שחלבונים ממלאים בתא החי התפתחו בשלב מאוחר יותר. נוסף על כך, הפפטידים הראשונים שהיו מעורבים בקישור מתכות ובהולכת אלקטרונים היו כנראה עתיקים יותר מהחלבונים המוקדמים ביותר, ונוצרו לפני יותר מ-3.8 מיליארד שנה.
החוקרים אף הציעו הסבר אפשרי לראשית החיים. על פי אחת התיאוריות הנפוצות המסבירות את הופעת החיים, ה-RNA קדם גם ל-DNA וגם לחלבונים. תיאוריה זו, הנקראת "עולם ה-RNA", נשענת על יכולתן של מולקולות RNA לשמור מידע גנטי כמו שעושה DNA, אך גם לשכפל את עצמן ולזרז תגובות כימיות כמו חלבונים. לפי השערה זו, מולקולות ה-RNA נוצרו אפוא ראשונות. במחקר הנוכחי, החוקרים משערים כי פפטידים קושרי מתכות היו מעורבים בזירוז התגובות הביולוגיות הראשונות יחד עם RNA ויוני מתכת שונים, וכי תגובות אלה הובילו בהמשך להתפתחות חלבונים מורכבים יותר.
המחקר הנוכחי מציע אפוא כיוון מקורי לשאלת ראשית החיים על כדור הארץ. מכיוון שהשערות על ראשית החיים על כדור הארץ עשויות לשפוך אור גם על הסוגיה של חיים על כוכבי לכת אחרים, החוקרים מקווים שמסקנותיהם יוכלו לסייע בפיתוח רעיונות חדשים גם בתחום זה.
