Świat RNA – hipotetyczna faza rozwoju życia, w której RNA było zarówno nośnikiem genów, jak i pełniło rolę enzymów.
We współczesnych komórkach nośnikiem informacji genetycznej jest DNA, a rolę enzymów pełnią białka. Jednak białka nie potrafią się same powielać, a duplikacja DNA nie zachodzi nigdy samoistnie, a wymaga wielu enzymów: DNA potrzebuje białka, a białka potrzebują DNA. W związku z tym problemem trudno było zbudować jakikolwiek wiarygodny model pochodzenia życia.
Jednak to nie DNA jest matrycą, na bazie której powstają białka. DNA jest najpierw kopiowane na RNA, a następnie RNA służy jako matryca syntezy białek. Ponieważ RNA można podobnie jak DNA kopiować, łatwo wyobrazić sobie organizm, w którym materiał genetyczny jest przechowywany pod postacią RNA, a DNA w ogóle nie występuje. Takie twory rzeczywiście istnieją – są nimi retrowirusy, takie jak wirus HIV.
Odkrycie rybozymów oraz doświadczalne wykazanie ewolucji molekularnej dało podstawę do sformułowania hipotezy „Świata RNA” zwaną również od nazwiska autora „Teorią Eigena”. Niewątpliwą zaletą tej hipotezy jest to że wg. niej życie można wyprowadzić od pojedynczej, lub kilku, cząsteczek zdolnych do autoreplikacji. Przy czym RNA spełniałoby to podwójną rolę, zarówno genotypu jak i fenotypu.
Wedle omawianej hipotezy po powstaniu koniecznych związków organicznych, powstały samoreplikujące się cząsteczki RNA , po pewnym czasie powstały kompleksy RNA-białko które lepiej spełniały funkcje katalityczne, póżniej prakomórki i w końcu pojawił się dzisiejszy schemat dziedziczenia DNA->RNA->białko.
Z używaniem RNA jako nośnika genów wiąże się poważny problem – chociaż kopiowanie RNA jest możliwe, w procesie tym pojawia się o wiele więcej błędów, niż w kopiowaniu DNA. To stanowi jednak doskonały argument za wtórnością DNA – życie pierwotnie miało posiadać geny w postaci RNA, a później dopiero „wynalazło” DNA jako skuteczniejszy środek przechowywania informacji genetycznej.
We współczesnej komórce występuje zarówno kodujące RNA (takie, które posłuży jako matryca syntezy białek) oraz różne typy niekodującego RNA. Jednym z typów RNA jest tRNA, uczestniczące jako antymatryca w syntezie białek – pasująca cząsteczka tRNA powiązana z odpowiednim aminokwasem przyłącza się w rybosomie do aktualnie przetwarzanego fragmentu matrycy (mRNA), po czym aminokwas ten jest dołączany do syntezowanego białka, a tRNA zostaje uwolnione.
Jednak komórka posiada wiele innych typów niekodującego RNA – RNA podobnie jak białka, a w przeciwieństwie do DNA, potrafi katalizować reakcje chemiczne. Niektóre cząsteczki RNA służą w komórce za enzymy; we współczesnej komórce zwykle nie są one zbudowane wyłącznie z RNA, lecz stanowią kompleksy RNA i białka, ale centrum aktywne znajduje się w cząsteczce RNA i w niektórych przypadkach wykazuje ona słabsze działanie katalityczne również bez białka. Do enzymów RNA, czyli tzw. rybozymów, należy wiele z najważniejszych i ewolucyjnie najstarszych enzymów komórki, odpowiedzialnych za takie funkcje jak synteza białek (rybosomowe RNA) oraz różne funkcje związane z kopiowaniem i naprawą DNA. Rybozymy uczestniczą też w kontroli ekspresji genów i pełnią kilka innych funkcji (zobacz też: ryboprzełącznik).
Chociaż we współczesnej komórce dominują enzymy białkowe, można sobie wyobrazić, że na początku życia RNA pełniło również rolę katalityczną, a białka powstały dopiero później. Do najważniejszych argumentów za tą kolejnością należy ten, że enzymy uczestniczące w syntezie białek są zbudowane z RNA.
Hipoteza istnienia jednego rodzaju cząsteczki zdolnej zarówno do katalizy jak i samopowielania się jest bardzo atrakcyjna. Można pójść też dalej i spekulować, że cząsteczki RNA mogły stanowić pierwotne przedkomórkowe życie.
W 2001 zsyntetyzowano pierwsze cząsteczki RNA o aktywności polimerazy, dzięki czemu hipoteza świata RNA zyskała silny argument. Jedna z nich, o długości 165 nukleotydów powielała matrycę o długości 14 nukleotydów z dokładnością 98,5%.
O ile, co do wtórności DNA panuje konsens, z koncepcją świata RNA wiąże się wiele problemów.
RNA, choć może być katalizatorem, jest katalizatorem raczej słabym (w porównaniu do białek). Wierność przekazywania informacji genetycznej w porównaniu do DNA jest mniejsza. Cząsteczki RNA są dość niestabilne i stosunkowo łatwo ulegają hydrolizie.
Regulatorowe RNA odgrywają kluczowe role na każdym etapie ekspresji genów i funkcjonowania komórki, od modyfikacji DNA, poprzez modyfikację transkryptu i modulowanie procesu translacji, aż po oddziaływanie z białkami, ich modyfikacje i funkcje strukturalne. RNA okazuje się pociągać za sznurki także u organizmów prokariotycznych, o których funkcjonowaniu – jako najmniej skomplikowanych – myśleliśmy, że wiemy już wszystko. System CRISPR, jako jeden z wielu, jest obecnie obiektem intensywnych badań pod kątem jego wykorzystania w inżynierii genetycznej do modyfikacji określonych sekwencji docelowych. Działanie regulatorowych RNA w czasie infekcji wirusowych oraz w stanach patologicznych otwiera niczym nieograniczone pole do poszukiwań nowych markerów diagnostycznych. Stawia to w zupełnie nowym świetle nie tylko diagnostykę chorób rozwojowych, przewlekłych czy nowotworowych, ale także każe ponownie zastanowić się nad metodologią medycyny spersonalizowanej i terapii celowanych, w których do gry wchodzi nowy, być może najważniejszy gracz – wszechobecny RNA.
Hipoteza „Swiata RNA” jakkolwiek jest bardzo pociągająca ma jednak kilka mankamentów. Po pierwsze nie bardzo wiadomo jak mogły powstać monomery które mogłyby służyc do budowy RNA. Po drugie kłopotliwe było wyjaśnienie jak mogły wogóle spontanicznie powstać cząsteczki RNA, choć ten problem ostatnio wydaje się być powoli rozwiązywany. Mianowicie okazało się że niektóre minerały są w stanie katalizować powstawanie nici RNA. Udało się zaobserwować powstawanie tą drogą cząsteczek RNA dłuższych niż 50 nukleotydów a jest to wielkośc wystarczająca do pełnienia roli katalitycznej.
Następnym problemem jest to że w zasadzie nie wystarczy jedna cząsteczka o zdolnościach katalitycznych aby rozpocząć ewolucje, bowiem taka cząsteczka nie byłaby w stanie przeprowadzić replikacji samej siebie, a dokładnie aktywnego miejsca przeprowadzającego proces replikacji. Tak więc powinniśmy więc otrzymać co najmniej dwie takie cząsteczki w bliskim sąsiedztwie.
Rozwiązaniem tego problemu być może leży w katalizowaniu replikacji np. przez minerały takie jak iły. W końcu należy zwrócić uwage na to że pierwszy replikator musiał byc zdolny do dość dokładnej autreplikacji, inaczej błędy gromadziłyby się szybciej niż byłyby odsiewane przez dobór i cząsteczki szybko by zdegenerowały. Tak więc na pewno potrzebne są dalsze doświadczenia które pomogą nam zrozumieć jakie rzeczywiście możliwości drzemią w RNA i czy mogło (i ewentualnie jak) mogło zapoczątkować życie na Ziemi.
Dodaj komentarz