Polak sprawdza, co było przed DNA. Jeśli mu się uda, będzie wielki przełom

Dr Tomasz Zajkowski z AGH bada, czy pierwszym nośnikiem informacji biologicznej były priony, niezwykłe białka zdolne do przekazywania swojej struktury kolejnym cząsteczkom. Jeśli badania potwierdzą tę możliwość, konieczne może być przepisanie jednego z najważniejszych rozdziałów historii życia na Ziemi, a także zmiana sposobu, w jaki będziemy szukać życia na innych światach.

Każdy organizm funkcjonuje dzięki informacji zapisanej w materiale genetycznym. DNA zawiera instrukcję budowy białek, reguluje rozwój organizmu i decyduje o przekazywaniu cech kolejnym pokoleniom. Wydaje się więc oczywiste, że to właśnie geny są jedynym nośnikiem informacji biologicznej.

Problem polega na tym, że życie musiało kiedyś powstać, a pierwsze organizmy nie dysponowały jeszcze złożonym systemem opartym na DNA. Od wielu lat naukowcy próbują odpowiedzieć na pytanie, co istniało wcześniej i jak wyglądały pierwsze etapy ewolucji prowadzącej od prostych związków chemicznych do żywych komórek.

Jedną z najbardziej intrygujących odpowiedzi mogą być właśnie priony.

Priony są szczególną grupą białek. Nie zawierają DNA ani RNA, nie mają własnego materiału genetycznego i nie rozmnażają się w klasyczny sposób. Ich wyjątkowość polega na czymś zupełnie innym.

Białko może przyjmować określony kształt przestrzenny. W przypadku prionów dochodzi do nieprawidłowego sfałdowania, a taka zmieniona forma staje się wzorcem dla kolejnych cząsteczek tego samego białka. W praktyce oznacza to, że jedno źle ukształtowane białko może wymusić identyczną zmianę u następnych.

To właśnie ta zdolność sprawia, że priony są traktowane jako nośniki informacji. Informacja nie jest zapisana w sekwencji nukleotydów, lecz w samym kształcie cząsteczki. Jest to zupełnie inny sposób przekazywania danych biologicznych niż ten, który znamy z genetyki.

Przez długi czas priony kojarzyły się wyłącznie z ciężkimi chorobami układu nerwowego.

Jednym z pierwszych sygnałów, że nauka ma do czynienia z nieznanym wcześniej mechanizmem zakażenia, była tajemnicza choroba Kuru występująca wśród plemienia Fore w Papui-Nowej Gwinei. Chorzy stopniowo tracili kontrolę nad ruchami, mieli problemy z mową, połykaniem i koordynacją, a choroba nieuchronnie prowadziła do śmierci.

Późniejsze badania wykazały, że źródłem zakażenia były priony przenoszone podczas rytualnego spożywania tkanek zmarłych członków społeczności. Odkrycia dotyczące Kuru doprowadziły do przyznania Nagrody Nobla Danielowi Gajduskowi, a kilkanaście lat później Stanley Prusiner udowodnił istnienie samych prionów i wyjaśnił mechanizm ich działania.

Podobny mechanizm odpowiada również za głośną epidemię BSE, czyli choroby szalonych krów. W jej wyniku u ludzi rozpoznano nowy wariant choroby Creutzfeldta-Jakoba, który powodował postępujące uszkodzenie mózgu, zaburzenia pamięci oraz utratę sprawności ruchowej.

Dzięki tym przypadkom naukowcy zrozumieli, że białka mogą przenosić informacje biologiczne bez udziału materiału genetycznego.

Największe znaczenie prionów nie wynika jednak wyłącznie z medycyny.

Ich odkrycie pokazało, że istnieją mechanizmy dziedziczenia niewymagające zmian w DNA. Szczególnie dobrze widać to u drożdży, gdzie określone cechy mogą być przekazywane kolejnym pokoleniom komórek wyłącznie dzięki utrzymywaniu charakterystycznej struktury białek.

Oznacza to, że organizm może zapamiętywać pewne informacje biologiczne bez modyfikowania genów. Dla biologii było to jedno z najbardziej zaskakujących odkryć ostatnich dekudziesięciu lat, ponieważ podważyło przekonanie, że DNA jest jedynym nośnikiem dziedziczności.

To właśnie te obserwacje stały się punktem wyjścia dla badań prowadzonych przez dr. Tomasza Zajkowskiego.

Naukowiec współpracował wcześniej z NASA oraz Uniwersytetem Stanforda nad metodami wykrywania prionów u archeonów. Są to jedne z najstarszych organizmów występujących na Ziemi, których historia sięga początków życia. W trakcie tych badań udało się po raz pierwszy wskazać systemy dziedziczenia oparte na prionach właśnie w tej grupie mikroorganizmów.

To odkrycie otworzyło zupełnie nowy kierunek badań nad ewolucją.

Obecnie, dzięki grantowi Narodowego Centrum Nauki, badacz realizuje projekt zatytułowany "Zanim pojawiły się geny - śladami najstarszych mechanizmów dziedziczenia". Jego celem jest sprawdzenie, czy najstarsze białka zachowane przez miliardy lat ewolucji potrafią tworzyć trwałe agregaty przekazujące informacje kolejnym pokoleniom komórek.

Do identyfikacji takich kandydatów wykorzystywane są zaawansowane analizy bioinformatyczne wspomagane przez algorytmy sztucznej inteligencji.

Jedna z najodważniejszych hipotez zakłada, że zanim powstały pełnowartościowe białka, DNA i RNA, istniały znacznie prostsze peptydy zdolne do kopiowania swojej struktury.

Gdyby udało się to potwierdzić, oznaczałoby to, że najstarszym systemem przekazywania informacji biologicznej nie były geny, lecz odpowiedni układ przestrzenny cząsteczek białkowych.

Taki mechanizm mógł funkcjonować jeszcze przed wykształceniem współczesnej biologii molekularnej i stanowić pomost między światem chemii a pierwszymi organizmami zdolnymi do rozmnażania.

Nie oznaczałoby to oczywiście, że DNA przestałoby być najważniejszym nośnikiem informacji we współczesnych organizmach. Sugerowałoby jednak, że ewolucja korzystała wcześniej z prostszego rozwiązania, które z czasem zostało uzupełnione przez bardziej wydajne systemy genetyczne.

Badania obejmują również sprawdzenie, czy białka o właściwościach prionowych pomagają mikroorganizmom przetrwać w trudnych warunkach środowiskowych.

Zmiany temperatury, wysokie zasolenie, niedobór składników odżywczych czy inne stresujące warunki wymagają szybkiej adaptacji. Jeżeli priony umożliwiają przekazywanie korzystnych zmian kolejnym pokoleniom bez ingerencji w DNA, mogły stanowić ważny mechanizm zwiększający szanse przetrwania.

To mogłoby również wyjaśniać, dlaczego białka o takich właściwościach zachowały się przez miliardy lat ewolucji. Zamiast zostać wyparte przez DNA, mogły stać się jego uzupełnieniem, zapewniając organizmom dodatkowy sposób reagowania na zmieniające się środowisko.

Choć badania dotyczą procesów zachodzących miliardy lat temu, ich znaczenie może wykraczać daleko poza historię naszej planety.

Lepsze poznanie najstarszych mechanizmów dziedziczenia może pomóc naukowcom określić, jakich śladów życia należy szukać podczas przyszłych misji kosmicznych. Jeśli okaże się, że pierwsze etapy ewolucji nie wymagały DNA ani RNA, sondy badające inne światy nie powinny ograniczać się wyłącznie do poszukiwania klasycznych biomarkerów.

Ma to szczególne znaczenie w przypadku lodowych oceanów Europy i Enceladusa czy bogatego w związki organiczne Tytana. Analiza próbek z takich miejsc mogłaby odpowiedzieć nie tylko na pytanie, czy istnieje tam życie, ale również na jakim etapie ewolucji chemicznej znajdują się tamtejsze środowiska.

Badania prowadzone przez dr. Tomasza Zajkowskiego wpisują się więc w jeden z najbardziej fundamentalnych problemów współczesnej nauki. Odpowiedź na pytanie, co było pierwszym nośnikiem informacji biologicznej, może zmienić nasze rozumienie początków życia na Ziemi i wskazać nowe kierunki poszukiwań organizmów poza Układem Słonecznym.