Johannes Friedrich Miescher byl švýcarský lékař. Od doktorské profese ho jeho hluchota nasměrovala na dráhu fyziologa a chemika. Stal se prvním, komu se podařilo RNA izolovat. Tehdy ještě ve směsi s DNA a říkal tomu „nuklein“. Považoval ho za pouhopouhé skladiště fosfátu. (Volné dílo)

Na rozdíl od bible, která tvrdí, že na počátku bylo slovo, jsou mnozí biochemici přesvědčeni, že na počátku byla jednoduchá šroubovice kyseliny ribonukleové (RNA). Dneska stojí tato molekula ve stínu mnohem populárnější dvojité šroubovice kyseliny deoxyribonukleové (DNA). Do popředí zájmu veřejnosti se RNA dostává spíše výjimečně, třeba když se z ní podaří vyrobit vakcínu proti covidu. Na úsvitu pozemského života - a možná i na úsvitu života na jiných místech vesmíru – ale zřejmě sehrála RNA klíčovou roli.

Phoebus Levene - objeviltel chemického propojení složek nukleových kyselin - cukr-fosfátové kostry. Rovněž určil v čem se obě nukleové kyseliny liší. DNA v té době říkal „thymová“ a RNA byla popsal jako „kvasinkovou“. (Volné dílo)

Na rozdíl od DNA umí RNA jednu velmi důležitou věc. Funguje nejen jako nosič genetické informace, ale díky svému trojrozměrnému uspořádání může působit také jako katalyzátor biochemických reakcí tedy jako enzym. Obě tyto funkce zvládají RNA známé jako ribozymy. DNA tohle neumí a pro katalýzu biochemických reakcí je odkázána na bílkovinné enzymy. Proto považují experti její roli při vzniku života za vedlejší. DNA mohla přijít, až když RNA všechny kardinální problémy vyřešila.

K tomu, aby mohla RNA skutečně fungovat jako základní molekula prvních forem života, musela zvládnout ještě jeden důležitý úkol – vytvářet své vlastní kopie, tedy množit sebe sama. Až doposud vědci takové molekuly RNA neznali. Teď ale tým vedený Philippem Holligerem z MRC Laboratory of Molecular Biology v Cambridge objevil RNA, která umí něco velmi podobného. Její molekuly vytvářejí své „zrcadlové dvojníky“. Když pak k tomuto dvojníkovi vznikne nový „zrcadlový dvojník“, je výsledkem dokonalá kopie původní molekuly RNA.

Mohl tak fungovat „RNA svět“, v němž by biochemické reakce nezbytné pro vznik života běžely bez účasti DNA a bílkovin?

Jedna z RNA struktur. Kredit: Yikrazuul, CC BY-SA 3.0

Názorná ukázka, jak i složitá prostorová struktura může být tvořena pouze jednoduchými elementy. Dnes už víme, že ribonukleová kyselina (RNA) je klíčovou makromolekulou zodpovědnou za přenos genetické informace z DNA a za syntézu bílkovin (proteosyntézu). Podle funkce RNA členíme na mRNA (poslíček), tRNA (přenašeč) a rRNA (součást ribozomů),... Funkce RNA není určena pouze pořadím jejích bází, ale podobně jako u proteinů i její strukturou. RNA dokáže pomocí párování bází a patrových interakcí v rámci svého řetězce vytvářet stejné typy struktur jako DNA, díky flexibilitě kolem své glykosidické vazby a schopnosti vytvářet další vodíkový můstek ale může zaujímat i mnohem složitější uspořádání. Mezi časté typy prostorového uspořádání RNA patří dvoušroubovice.

Mrznoucí prapolévka

Dvouvláknová RNA tvořená polyuracilem a polyadeninem. (PDBID:1H1K). Kredit: Faskal, CC BY-SA 3.0

Už v roce 2009 vědci objevili dvě různé molekuly RNA, které byly s to si zajistit vzájemnou syntézu. Uměly vyrobit cizí RNA, ale nikoli svou vlastní kopii. Navíc byly poměrně velké. Jejich řetězec se skládal ze 150 až 200 písmen genetického kódu čili bází. Takhle velké molekuly nemohly v dávných časech v podmínkách Země vznikat spontánně v roztocích organických sloučenin přezdívaných „prapolévka“. Rozpadly by se dříve, než by stačily odvést svou práci. Zcela jistě to proto nebyly molekuly, jež zajistily vznik RNA světa.

RNA objevené Philippem Holligerem a jeho spolupracovníky mají třetinovou velikost, a to výrazně zvyšuje jejich šance na spontánní vznik a rozumnou délku existence v prapolévce. Aby molekulám RNA prodloužili život, nechali Holliger a spol. běžet všechny procesy za nízkých teplot. Nejen že se tím zpomalily reakce, jež RNA rozkládají, ale zároveň se tak umožnilo kopírování RNA.

Thomas Robert Cech (Kredit: Wikipedia, CC BY 2.5)

Sidney Altman (Kredit: Yale News)

Ribozymy byly objeveny v 80. letech T. R. Cechem a S. Altmannem, kteří byli v roce 1989 za svůj objev oceněni Nobelovou cenou. Objevením ribozymů padla teorie, že biologickými katalyzátory jsou pouze proteinové enzymy. To, že i RNA mohou katalyzovat široké spektrum reakcí, podporuje i teorii tzv. RNA světa, která předpokládá, že v určité etapě vývoje života na Zemi to byly právě molekuly RNA, které sloužily jako hlavní biologické katalyzátory a zároveň byly schopné přenášet genetickou informaci.

Ilustrační schéma krystalové struktury methyltransferázového ribozymu. Interaktivní struktura zde. Zdroj:  National Institutes of Health (NIH)

Když voda začíná mrznout a vytvářet krystaly, dochází ke koncentrování látek, jež se ve vodě nacházejí. Laboratorní imitace prapolévky obsahuje základní stavební prvky pro syntézu RNA. Když k ní vědci přidali i hotové řetězce RNA, udržovaly si svou trojrozměrnou strukturu nezbytnou k tomu, aby dokázaly katalyzovat biochemické reakce a chovaly se jako ribozymy. To bylo fajn, ale neslo to s sebou jeden velký problém. Aby mohla RNA kopírovat sama sebe, musela svou trojrozměrnou strukturu ztratit, musela se „rozmotat“.

Edoardo Gianni, vedoucí kolektivu na MRC Laboratory of Molecular Biology a současně První autor studie prokazující, že Malý polymerázový ribozym dokáže syntetizovat sám sebe a svůj komplementární řetězec. Kredit: Cambridge, UK.

Tenhle problém vědci vyřešili tak, že do laboratorní prapolévky přidali nejen jednotlivá písmena genetického kódu čili báze, ale také tzv. triplety, tedy kratičké řetězce tvořené trojicí bází. Za těchto podmínek se v mrznoucí vodě některé molekuly RNA rozbalovaly a byly schopné se kopírovat, zatímco jiné molekuly RNA si udržely trojrozměrnou strukturu a tím také funkci ribozymů.

Tři producenti zrcadlových dvojníků

Holligerův tým objevil tři molekuly RNA, každou tvořenou zhruba 45 písmeny genetického kódu, podle nichž vznikaly v mrznoucí laboratorní prapolévce „zrcadlové“ molekuly RNA – tedy řetězce s opačným pořadím bází. Předloha a zrcadlová kopie tak byla jakousi obdobou dvojice vláken ve dvojité šroubovici DNA. Také u zrcadlových kopií se povedlo vědcům navodit podmínky, aby vytvořily svou zrcadlovou kopii. Zrcadlová kopie vytvořená podle zrcadlové kopie vypadá jako originál a vznikly tak původní molekuly RNA.

Zatím se nepodařilo najít RNA, která by zvládla oba kroky, tedy vytvořit zrcadlovou kopii a k ní pak opět novou zrcadlovou kopii. RNA tedy nevytvořila svého skutečného „dvojníka“. Celý proces je také poměrně zdlouhavý. Nové řetězce RNA potřebují v nízkých teplotách na svůj vznik 72 dní.

Školní představu „vlahé prapolévky“, v které biochemické reakce běžely za občasného přispění výbojů z blesků jako na drátkách, tak střídá představa „studené prapolévky“, v které docházelo opakovaně k tání a mrznutí, a tudíž k opakovanému „zahuštění“ základních stavebních kamenů molekul nezbytných ke vzniku prvních forem života. Vědcům zbývá prokázat, že takové kopírování RNA neproběhlo jen jednou, ale ve „studené prapolévce“ mohlo běžet v opakujících se cyklech.

„Pokud se to podaří, může RNA postoupit z kategorie možného startéra pozemského života na pravděpodobného startéra,“ komentoval pro vědecký časopis Science výsledky nové studie a perspektivy dalšího výzkumu Jack Szostak z University of Chicago.

Pramen:

Gianni E. et al. (2026) A small polymerase ribozyme that can synthesize itself and its complementary strand. Science DOI: 10.1126/science.adt2760