סיכום מאמר – ראשית החיים עלי אדמות

(מעובד ממאמר מאת Scientific American Israel דצ' 09 – ינ' 010 כרך 8 גיליון 2)

מאמר נפלא זה מהווה גם כן המשך ישיר לפוסט שלי על האביוגנזה. תכליתו המרכזית של המאמר היא הדיון והצגת המחקר בסוגיית המעבר בין החומר הדומם לחומר החיי, ובמישורים שנכללים בסוגיה: הכימיה הקדם-ביוטית, המולקולות המשכפלות, המבנים התאיים הראשוניים ותכונות החיים שלהם ועוד. המאמר הבא יעסוק בראשית התודעה.

מושגי מפתח:

• מדענים מצאו דרך שבה המולקולה הגנטית רנ"א הייתה יכולה להיווצר מהחומר הדומם שבכדור-הארץ הקדום.
• מחקרים אחרים מאששים את ההשערה שהתאים הפרימיטיביים שהכילו מולקולות דמויות רנ"א יכלו להתארגן באופן ספונטני, להתרבות, להתפתח וליצור את החיים.
• מדענים חותרים כיום ליצירת האורגניזם המלאכותי הראשון שיוכל לשכפל עצמו במעבדה. למעשה, הם מנסים ליצור חיים מחדש, בכדי להבין כיצר נוצרו מלכתחילה.

__________________________________________________________________________________

הקדמה

בכל תא חי רוחשות המוני מכונות מולקולאריות שיעוררו את קנאתם של אנשי הננו-טכנולוגיה.  מדביקות ומעתיקות מולקולות הקשורות בתורשה, מסיעות חומרי מזון, מעבירות מסרים מכאניים, כימיים וחשמליים והרשימה ארוכה. קשה לדמיין כיצד יכלו להיווצר באופן ספונטני, מחומר דומם על כדור הארץ הקדום לפני כ-3.7 מיליארד שנה. ב-1950, קבוצת ניסויים חלוציים הראו כי חומצות אמינו, אבני הבניין לחלבונים, נוצרות בקלות בתנאים מסוימים מחומרים מורכבים פחות. הדרך מפה לחלבונים עוד ארוכה, אך זוהי התחלה. התהליך היווצרות החלבונים משתתפים אנזימים – שהם חלבונים בעצמם. הדבר נראה פרדוקסאלי  – יש צורך בחלבונים כדי ליצור חלבונים? אם כך כיצד נוצרו החלבונים הראשונים? מצד אחד, הפרדוקס היה נעלם אם לאורגניזמים הראשונים לא היה צורך בחלבונים כלל. מניסויים שנערכו לאחרונה נמצא כי מולקולות רנ"א יכולות להיווצר באופן ספונטני, וייתכן כי רחשו את היכולת להעתיק את עצמן ולהתרבות ללא חלבונים.  ייתכן כי צורות החיים הראשונות היו בועיות מוקפות קרום שומני, שהכילו בתוכן מים בהם הומסו מולקולות גנטיות שהתרבו בעצמן. מוטציות אקראיות אפשרו להן 'להסתגל' לסביבתם, להתחרות, ואט אט להפוך לצורות החיים המוכרות לנו כיום. ייתכן כי לעולם לא נבין בדיוק את הנסיבות המדויקות בהם נוצרו, אך האתגר הסופי – יצירת אורגניזם מלאכותי – אם יצליח, הדבר יספר לנו הבנה ענקית לגבי כיצד יכלו החיים להיווצר, מה הסבירות לקיומם בעולמות אחרים ובעיקר – מה הם חיים.

__________________________________________________________________________________

צריך להתחיל במקום כלשהו

הידעת? במאי 2009 נפתרה השאלה שהטרידה מדענים בתחום הכימיה הקדם-ביוטית זה זמן רב, כשהוכיחו כי נוקליאוטידים יכולים להיווצר כתוצאה מתגובות כימיות ספונטניות באוניברסיטת מנצ'סטר, על ידי ג'ון סתרלנד ואנשי צוותו.

כיצד נוצר החומר הגנטי ממולקולות פשוטות יותר? אנו מסיקים כי הרנ"א קדם ל-DNA, כיום תא בן ימינו מעתיק את המידע הטמון בדנ"א ל-RNA ואז משתמש ב-RNA כתבנית ליצירת החלבון.  הייתכן שהשלב האחרון היה קיים בעבר לבדו? אחר כך אולי הופיע הדנ"א כדרך אחסון קבועה יותר בזכות יציבותו הכימית. רנ"א יכול לתפקד גם כן כאנזים, אז הוא נקרא ריבוזים. ריבוזים הם למעשה הוכחה 'מאובנת' לעולם הרנ"א הקדום, שכן הריבוזום הוא הכלאה בין רנ"א לחלבון, והרנ"א מחזיק בתפקיד הזרז בריבוזום. לכן הושקעו מאמצים בניסיון להבין את ראשית הרנ"א.  החומר הגנטי מורכב מאבני הבניין בשם נוקליאוטידים. הם מכילים שלושה מרכיבים שונים – סוכר, פוספאט ובסיס חנקני.  הם מהווים למעשה את הא-ב הגנטי.

1. בסיסי החנקן יכולים להיווצר באופן ספונטני, בסדרת שלבים, מציאניד אצטילן ומים.  כל אלו מולקולות פשוטות שהיו מצויות, ללא ספק, בתערובת הכימיקלים הקדומה בכדור הארץ.
2. גם סוכרים נוצרים בקלות מחומרי מוצא פשוטים. חימום תמיסה בסיסית של פורמלדהיד, שכנראה היה בכדור הארץ הצעיר, יוצר תערובת של סוגי סוכר רבים. הבעיה היא להשיג את הסוכר ה-'נכון' ליצירת הנוקלואטיד, במקרה של הדנ"א, ריבוז. הריבוז לא יציב, אם כך כיצד נהיה נפוץ בכדור הארץ על מנת לבנות את הנוקליאוטידים כשהוא מתפרק גם בתמיסה בעלת בסיסיות נמוכה?  ובכן, חוקרים מצאו דרכים שבהם הוא יכול להיות מיוצב וכך להיות נפוץ.
3. תעלומה נוספת היא רכיב הפוספאט. זרחן, היסוד המרכזי בפוספאט, נפוץ בקליפת כדור הארץ, אך לרוב מופיע במינרלים שאינם מתמוססים במים, כך שלא ברור איך הגיע הפוספאט לתערובת החומרים שקדמה לחיים. אפשרות שהועלתה היא המינרל שרייברסיט, הנפוץ במטאורים ואשר משחרר רכיבים זרחניים כאשר מתפרק במים. בנוסף, הזרחן אשר הוא משחרר מסיס הרבה יותר טוב במים מפוספאט ומגיב יותר טוב עם תרכובות אורגניות (המכילות פחמן).

__________________________________________________________________________________

צריך להרכיב

נניח שכבר יש לנו את קווי המתאר לקבלת בסיסים חנקניים, סוכר ופוספאט. הצעד הבא – לחבר ביניהם. אך זה בדיוק השלב הבעייתי. ערבוב חומרי המוצא במים אינו מוביל להיווצרותם הספונטנית של נוקליאוטידים. יש לספק אנרגיה כדי לקשור את המולקולות, על ידי הוספה, למשל, של תרכובת עתירת אנרגיה. באביב 2009 נתגלתה דרך עקיפה ליצירת נוקליאוטידים. הגישה נסמכת על החומרים ההתחלתיים הפשוטים שתיארנו קודם לכן, כמו נגזרות של ציאניד, אצטילן ופורמלדהיד.  במקום ליצור בסיס חנקני וריבוז בנפרד ולנסות לחבר ביניהם, ערבבו הצוות את חומרי המוצא כולם עם פוספאט, מערכת תגובות סמוכה שבה פוספאט מככב כזרז בכמה שלבים הביאו ליצירת מולקולה קטנה אותה אפשר לראות כחלק ממולקולת הסוכר המחובר לבסיס החנקני.  אחד ממאפייניה של המולקולה הקטנה והיציבה הזאת היא שהיא נדיפה. משמע היא יכלה להצטבר במקום אחר בדרגת ניקיון גבוה יותר, כשהיא הולכת עם המים המתאדים. שם היא נצברת במעין מאגר שבו יכולות להתרחש תגובות כימיות נוספות שיצרו את הסוכר השלם המחובר לבסיס החנקני. התהליך אלגנטי, אך אין הוא מייצר רק את הנוקליאוטידים הנכונים. למרבה הפליאה, חשיפת התערובת לקרינת UV הורסת רק את הנוקליאוטידים השגויים ומשאירה רק את הנכונים. התוצאה הסופית היא נתיב חלק ליצירת נוקליאוטידים מסוג C ו-U. נוצר כעת רק למצוא את הנתיב למציאת A ו-G, כך שיש עוד אתגרים, אך יש גם בסיס לא רע בכלל להסברת ההיווצרות של מולקולה סבוכה כמו רנ"א בכדור הארץ הקדום בצורה ספונטנית.

כעת השלב האחרון בהיווצרות מולקולת ה-RNA הוא פילמור: רכיב הסוכר מנוקליאוטיד אחד יוצר קשר כימי עם הפוספאט של משנהו, ואנו מקבלים שרשרת נוקלטואידים.  קשרים אלו דורשים אנרגיה להיווצרותם, מדענים שהוסיפו כימיקלים שונים לתמיסה המכילה גרסאות פעילות יותר של נוקליאוטידים הצליחו ליצור שרשראות רנ"א קצרות. בסוף שנות ה-90 הראו כי מינרלים המצויים בחרסית משפרים את התהליך. יכולתם הטבעית של המינרלים האלה לחבר בין נוקליאוטידים מקרבת בין מולקולות פעילות ומקלה על היווצרות הקשרים. הדבר מחזק כי ראשית החיים הייתה על משטחים מינרליים. התחלנו עם טריליוני רצפי רנ"א אקראיים, ברחנו באלה שהיה ביכולתם לשמש כזרז ושכפלנו אותם.  בכל מחזור בחלקם היו מוטציות שונות ששיפרו את יעילותם. שוב, בודדנו את המשופרים והשתמשנו בהם. בעזרת אבולוציה מונחית שכזאת הצלחנו ליצור ריבוזימים המסוגלים לזרז את העתקתם של גדילי רנ"א אחרים. לאחרונה, זכה עקרון השכפול העצמי של ה-RBA לאישוש נוסף. טרייסי לינקולן לג'רלד ג'ויס פיתחו שני ריבוזימים של רנ"א שיכלו לשכפל זהה את משנהו על ידי חיבור שני גדילי רנ"א קצרים יותר.  אמנם פיסות ה-RNA הארוכות הוכנו מלאכותית ולא ספונטנית, אך עדיין מתוצאות הניסוי עולה כי רנ"א הוא זרז המסוגל לזרז את שכפולו.  כיום חוקרים את הדרכים הכימיות לשכפול ללא סיוע זרז.

__________________________________________________________________________________

עניין של גבול

נניח כי הצלחנו להשלים את הפערים בהבנת הכימיה של ראשית החיים (קפצנו לעתיד), נוכל להתחיל לתהות כיצד הגיבו המולקולות זו עם זו ליצירת מבנה דמוי תא. הממברנה העוטפת כל תא עשויה משכפה שומנית כפולה. היא דואגת לתא כמחסום ושומרת שכל חלקי התא יישארו זה לצד זה. חלבונים מתוחכמים על פניה משמשים כמשאבות ואחרים מסייעים בבנייה ותיקון הממברנה. כיצד תא קדמוני חסר מכונות חלבונים שכאלו יכול היה לבצע מטלות שכאלה? ממברנות פרימיטיביות היו עשויות מחומצות שומן, מולקולות פשוטות יותר. בשנות ה-70 המאוחרות הראו כי ממברנות של חומצות שומן אכן מסוגלות להתארגן באופן עצמאי. אך נראה כי הן מהוות מחסום בלתי חדיר לנוקליאוטידים וחומרי מזון. אולם, נוקליאוטידים יכולים להחליק בקלות דרך הממברנה, כל עוד הממברנה והנוקליאוטידים פרימיטיביים ופשוטים מאשר אלו שבתא המודרני. הממצאים אפשרו להכין מודל ליכולת תא האב להעתיק מידע גנטי בעזרת חומרי המזון מסביבו, הכנת בועיות העשויות ממברנת חומצת שומן וכליאת פיסת רנ"א קצרה בתוכן. הבועיות נחשפות נוקליאוטידים פעילים מבחינה כימית החוצים את הממברנה באופן ספונטני, וברגע שהגיעו לפנים תא המודל מסתדרים על גדיל הדנ"א ומגיבים ליצירת הגדיל השלם. הניסוי אישש את ההשערות שאף כי תאי האב הראשונים הכילו רק רנ"א או משהו דומה, היה ביכולתם לשכפל את המידע הגנטי שלהם ללא אנזימים.

__________________________________________________________________________________

ויבדל אלוהים בין תא לתא

תאי מודל, שהכינו רנ"א או חומר דומה, התנפחו בשל האפקט האוסמוטי של מים שניסו להיכנס לתא כדי להשוות את הריכוזים בתוך התא ומחוצה לו. הדבר הפעיל מתח על הממברנות של הווסיקולות (בועיות) שהתנפחו, ומתח זה הניע את צמיחתן. זאת משום שהוספת מולקולות מרפה את המתח שהממברנה חשה ומפחיתה את האנרגיה במערכת. וסיקולות נפוחות גדלו למעשה על ידי גנבה של חומצות שומן משכנותיהן, שהתכווצו. השנה חקר סטודנט מחקר במעבדתנו את צמיחתם של תאי מודל לאחר שסיפק להם חומצות שומן חדשות, ולתדהמתנו, הווסיקולות, שהיו כדוריות בתחילה, לא גדלו באופן אחיד אלא שלחו תחילה חוט דקיק שבמשך חצי השעה הבאה התארך והתעבה, כך שלבסוף הפכה הווסיקולה לצינורית ארוכה ודרכה. המבנה היה בלתי יציב, וערבוב עדין גרם לווסיקולה להתחלק לכמה תאי אב קטנים שחזרו על התהליך. מכאן שאם קיימות אבני הבניין המתאימות, היוצרות תא אב אינה מסובכת כל כך:

1. הממברנה מתארגנת מעצמה.
2. הפולימרים הגנטיים מסתדרים מעצמם ואפשר לחבר בין שני המרכיבים האלה במגוון דרכים, כמו לדוגמא, אם הממברנות נוצרות מסביב לפולימרים קיימים.
3. שקיות המים עם הרנ"א הנוצרות יגדלו אף הן ויספחו מולקולות חדשות לתוכן, יתחרו על חומרי מזון ויתחלקו.
4. אמנם, כדי לחיות באמת עליהן להתרבות ולהתפתח. כדי לעשות זאת, עליהן להפריד בין שני גדילי הרנ"א, כך שכלל גדיל יחיד יוכל לשמש כתבנית לגדיל כפול חדש שיועבר הלאה.
5. התהליך הזה לא התחיל מעצמו אך הוא יכול להתחיל עם קצת עזרה – פעילות געשית על כדור הארץ הקר. סביר להניח כי הפרש הטמפרטורות גרם לזרמים במים, כך שתאי האב שבמים נחשפו מידי פעם לפרץ חום בהתקרבם לסלע חם, אך התקררו שוב כמעט מיד כשהמים התערבבו עם שאר מי השלולית הקרבה. פרץ החום יכול היה לגרום לדו-גדיל להיפרד לשני גדילים, ואז ליצור גדילים כפולים חדשים כשהתא חוזר לאזור הקר.
6. חלק מרצפי הרנ"א החלו לעבור מוטציות ולהפוך לריבוזימים שכבר היו מסוגלים להעתיק רנ"א ללא כל עזרה מבחוץ.

סוף דבר

קל לדמיין כיצד המשיך להתפתח מכאן ריבוזימים חדשים שאפשרו לתא לייצר חומרי מזון בתוך התא מחומרי מזון פשוטים יותר ולאט לאט ליצור מטבוליזם, ואולי לאחר מכן הוסיפו האורגניזמים ייצור חלבונים לרשימת התעלולים הכימיים. ייתכן כי החלבונים, ברבגוניותם המופלאה, השתלטו אז על תפקידו של הרנ"א וסייעו לשכפול המידע הגנטי ולמטבוליזם, ואולי לאחר מכן למדו האורגניזמים לייצר דנ"א,  נשא המידע הגנטי העמיד יותר. ברגע זה הפך העולם מעולם של רנ"א לעולם של דנ"א, והחיים כפי שאנו מכירים אותם החלו.

דעה אישית:

אחד מהמאמרים, אם לא הכי טוב, שיצא לי לקרוא על בריאה ספונטנית, אביוגנזה. אני מסכים שיש בו חלקים מעט יותר מסובכים להבנה (ככל הנראה אלו אשר נוגעים לכימיה) ואכן עדיין ישנם חלקים נרחבים הלוקים בערפול, ולמרות ההסברים לא נראים כה אלגנטיים ומובנים. אני בטוח שגם המדענים חושבים כך, ולא סתם הם משקיעים את מיטב כוח האדם והמשאבים בכדי להפיג את הערפל ולחשוף עוד חלקים מהפאזל, שכפי שאתם כבר רואים נחשף בצורה משמעותית ומרתקת. המאמר מביא השערות מודרניות ומציג את העבודה העכשווית של המדענים בתחום שעוסקים בו בלי הפסקה בכדי להשלים אינספור חורים ולמצוא את הנתיב האלגנטי שמראה כיצד החומר הדומם שעל כדור הארץ הקדום יכול היה באופן ספונטני להתארגן לכדי יצירת מבנים דמויי-תאים, המהווים את הקדם-חיים. מהם התחילו החיים לפרוח, לאט לאט, בתהליך שאין יתואר כמה הוא מורכב, אך הקסם והיופי הבלתי נתפס בו – כה מורכב, כה מסובך ומחוכם, ועם זאת – ספונטני וטבעי.