RNA อาจไม่ได้มาก่อน DNA

By: terminus
Writer
on Mon, 17/09/2012 - 04:49

แม้ว่าชีววิทยาจะยังหาคำตอบเรื่องกำเนิดแห่งชีวิตไม่ได้ แต่นักชีววิทยาเกือบทั้งโลกก็พร้อมใจเชื่อกันว่า มีช่วงหนึ่งในประวัติศาสตร์ที่ชีวิตในตอนแรกเริ่ม -ไม่ว่ามันจะมีหน้าตาอย่างไรก็ตาม- เคยใช้ RNA เป็นตัวเก็บพันธุกรรมก่อนที่จะเปลี่ยนมาใช้ DNA เนื่องจาก deoxyribonucleotide ซึ่งเป็นหน่วยย่อยของ DNA ไม่น่าจะเกิดขึ้นได้เองในธรรมชาติ ส่วน ribonucleotide ซึ่งเป็นหน่วยย่อยของ RNA มันพอจะมีโอกาสเกิดขึ้นได้เองจากสารอนินทรีย์และพลังงานที่มีอยู่อย่างเหลือเฟือในโลกยุคแรก หลังจากที่ชีวิตเริ่มจัดระเบียบตัวเองได้แล้ว มันก็เริ่มเปลี่ยนการบันทึกพันธุกรรมลง RNA มาบันทึกลง DNA เราเรียกสมมติฐานนี้ว่า "RNA World Hypothesis"

ทุกวันนี้ก็มี ชีวิต บางรูปแบบที่ใช้ RNA เป็นสื่อบันทึกพันธุกรรม เช่น RNA virus อันเป็นหลักฐานแสดงให้เห็นว่า RNA มีความสามารถในการเก็บข้อมูลพันธุกรรม แต่เราก็เชื่อกันว่ากรณีของไวรัสเป็นลักษณะที่เกิดจากวิวัฒนาการในภายหลังมากกว่าที่จะเป็นลักษณะที่สืบสายมาจากชีวิตยุคบรรพกาล

สาเหตุที่ DNA ดีกว่า RNA ในแง่ของการเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม เนื่องจาก RNA สลายตัวง่ายกว่า DNA แต่ RNA ก็มีข้อได้เปรียบที่เหมาะกับชีวิตยุคแรกมากกว่า เพราะสาย RNA สามารถบิดตัวเกิดเป็นโครงสร้างสามมิติรูปร่างต่างๆ ได้ ไม่เหมือน DNA ที่จับตัวกันเป็นสายเกลียวคู่เกือบตลอดเวลา มันจึงทำหน้าที่เป็นตัวเร่งของปฏิกิริยาบางอย่างได้ด้วย ทำให้ RNA เป็นตัวอเนกประสงค์ที่เก็บข้อมูลก็ได้และออกไปทำงานเองก็ได้

ความแตกต่างอย่างหน้ามือหลังมือของ DNA และ RNA เกิดจาก deoxyribose (หรือชื่ออย่างเป็นทางการจริงๆ คือ 2-deoxyribose) ซึ่งเป็นหน่วยย่อยของ DNA ต่างจาก ribose ซึ่งเป็นหน่วยย่อยของ RNA ตรงที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 ไม่ได้จับกับหมู่ -OH แต่เป็น -H ทำให้ RNA จะถูก hydrolysis ได้ง่ายกว่าในสภาวะเบส ในขณะเดียวกันการมีหมู่ -OH ตรงนั้นก็ทำให้ RNA เกิดโครงสร้างแปลกๆ ได้ดีกว่า เพราะ -OH ตรงนั้นสร้างพันธะไฮโดรเจนยึดให้โครงร่าง RNA รูปร่างแปลกๆ คงรูปเสถียรอยู่ได้
(www.cliffsnotes.com/study_guide/DNA-and-RNA-Structures.topicArticleId-24594,articleId-24549.html)

จะเห็นว่า RNA World Hypothesis ตั้งอยู่บนข้อสังเกตทางเคมีที่ว่า DNA ไม่สามารถเกิดขึ้นเองในธรรมชาติ หรืออย่างน้อยก็เกิดขึ้นได้ยาก แต่ทีมวิจัยที่นำโดย Matthew Powner แห่ง University College London สาธิตให้เห็นว่ามันมีโอกาสเหมือนกันที่ DNA จะเกิดขึ้นได้เองจากสารประกอบอนินทรีย์ในสภาวะที่เหมาะสม

ก่อนหน้านี้ในปี 2011 ทีมวิจัยของ Matthew Powner ก็เคยสังเคราะห์เบสและสารตั้งต้นของ RNA ขึ้นมาในหลอดทดลองได้แล้ว พวกเขาจึงคิดว่าการสังเคราะห์ DNA ก็คงไม่ไกลเกินเอื้อมนัก และผลการสังเคราะห์ล่าสุดของพวกเขาก็ใกล้เคียงความจริงมาก

สารสังเคราะห์ที่พวกเขาสังเคราะห์ขึ้นมาเป็นน้ำตาล deoxyribose สร้างพันธะอยู่กับหมู่อินทรีย์ชื่อว่า AICA ที่มีหน้าตาคล้ายวงเบส purine อันเป็นองค์ประกอบอย่างหนึ่งของหน่วยย่อยในสาย DNA

แม้จะยังไม่ใช่ DNA อย่างที่หวังไว้ เบสยังไม่ใช่เบสที่อยู่ใน DNA, และยังต้องหาทางขจัดอะตอมซัลเฟอร์ออกกับเติมหมู่ฟอสเฟตเข้า แต่ Christopher Switzer แห่ง University of California, Riverside ซึ่งไม่ได้อยู่ในทีมวิจัยนี้ก็ประทับใจจนออกปากรับรองว่า "จุดนี้ถือเป็นความสำเร็จแล้ว อีกไม่กี่ปีข้างหน้าเราต้องสังเคราะห์ DNA ขึ้นในหลอดทดลองได้แน่ๆ"

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน Journal of the American Chemical Society, doi:10.1021/ja306176n

ผลจากความสำเร็จในการสังเคราะห์ "สารตั้งต้น DNA" จากสารอนินทรีย์ ทำให้ Matthew Powner และนักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนสันนิษฐานว่าชีวิตบนโลกยุคแรกอาจจะใช้ทั้ง RNA และ DNA เป็นพันธุกรรม โดยอยู่ในรูปของโมเลกุลลูกครึ่ง DNA ครึ่ง RNA ซึ่ง Jack Szostak แห่ง Harvard Medical School หนึ่งในเพื่อนร่วมทีมของ Matthew Powner นี่แหละที่เคยแสดงให้เห็นเมื่อปี 2011 ว่าโมเลกุลลูกครึ่ง DNA/RNA สามารถทำงานเร่งปฏิกิริยาบางอย่างได้เหมือน RNA (PNAS, doi:10.1073/pnas.1107113108)

Matthew Powner รู้สึกว่า ถ้าชีวิตยุคแรกใช้แต่สาย RNA ล้วนๆ ในการเก็บข้อมูลพันธุกรรม วิวัฒนาการโดยการคัดเลือกตามธรรมชาติไม่น่าจะสร้างเอนไซม์ที่ใช้เปลี่ยน ribonucleotide เป็น deoxyribonucleotide ขึ้นมาได้ สิ่งมีชีวิตในปัจจุบันมีเอนไซม์ที่ทำหน้าที่นี้อยู่ แต่ว่ามันก็เป็นเอนไซม์เฉพาะที่มีความซับซ้อน เช่น Ribonucleotide reductase (Current Opinion in Structural Biology, doi:10.1016/S0959-440X(00)00153-6) นอกจากว่าจะมีใครหรืออะไรสักอย่างรู้ว่า DNA มันเก็บข้อมูลได้ดีกว่า RNA แล้วสั่งให้พระอินทร์เอาเอนไซม์ Ribonucleotide reductase ประเคนใส่พานมาให้ (ซึ่งแน่นอนว่าเป็นไปไม่ได้)

แต่หากชีวิตเริ่มแรกรู้จักทั้ง DNA และ RNA พร้อมๆ กัน มันก็ดูแล้วเป็นไปได้มากกว่าที่จะเกิดการ "เก็บเธอเอาไว้ทั้งสองคน" จากนั้นก็แบ่งหน้าที่เมียหลวงเมียน้อยกันในภายหลัง การคัดเลือกตามธรรมชาติก็จะคัดเลือกให้เกิดสาย DNA ล้วนๆ ไว้ทำหน้าที่เก็บข้อมูลพันธุกรรม ส่วน RNA ก็ออกไปทำงานเร่งปฏิกิริยาชีวเคมี

ที่มา - New Scientist


ความเห็นส่วนตัวในฐานะคนเรียนชีววิทยา: ข้อสมมติฐานของ Matthew Powner ดูเหมือนจะไม่ครอบคลุมถึงข้อเท็จจริงอันหนึ่งของกระบวนการจำลองตัวเองของ DNA

การจำลองตัวเองของ DNA (DNA replication) จะต้องใช้เอนไซม์ประเภทหนึ่งที่มีชื่อ DNA polymerase แต่ DNA polymerase ที่ใช้ในการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ไม่สามารถไปเกาะ DNA สายต้นแบบแล้วสร้าง DNA ได้ทันที มันต้องการ RNA สายสั้นๆ ที่เรียกว่า primer ในการเริ่มกระบวนการ มันจะต้องมี primer เกาะอยู่บน DNA สายต้นแบบก่อน แล้ว polymerase ค่อยสังเคราะห์สาย DNA ต่อไปให้ complementary กับรหัสเบสบน DNA สายต้นแบบ (primer อาจจะเป็นสาย DNA สั้นๆ ก็ได้ แต่ว่า nucleotide สองตัวแรกจะต้องเป็น ribonucleotide เสมอเกือบ 100%)

RNA World Hypothesis อธิบายเรื่องของ primer ได้ง่ายมาก ชัดเจนว่ามันคือมรดกตกทอดมาจากครั้งที่เซลล์ยังรู้จักแค่ RNA แต่หากถ้าเซลล์รู้จัก RNA กับ DNA พร้อมกัน และ/หรือ ใช้โมเลกุลลูกครึ่ง DNA/RNA มาตั้งแต่ต้นอย่างที่ Matthew Powner กับเพื่อนเสนอ มันจะ make sense ตรงไหนที่ primer ต้องเป็นเฉพาะ RNA?

7 Comments

chobits_nizzy's picture
  • ((Proceedings of the National Academy of Sciences, doi.org/bj8r97)

วงเล็บเกินมาอันนึงนะคะ ;)

  • ทำ link ดีกว่านะคะ DNA and RNA Structures (http://www.cliffsnotes.com/study_guide/DNA-and-RNA-Structures.topicArticleId-24594,articleId-24549.html)
terminus's picture

ผมร่างไว้เมื่อคืนหนะครับ วันนี้เพิ่งจะมาเขียนต่อให้เสร็จ พร้อมกับกระทู้ http://jusci.net/node/2792 ใน Forum ด้วย เรื่องมันไปด้วยกัน ผมเลยอยากเขียนให้ออกมาพร้อมกัน

chobits_nizzy's picture

ขอโทษด้วยค่ะ ไม่ทราบว่าร่างเอาไว้เฉยๆ

งั้นวันหลังถ้าร่างไว้เฉยๆ ให้บอกไว้ตอนท้ายว่า "ฉบับร่าง" ดีมะคะ

-Rookies-'s picture

มันอยู่ใน Upcoming News อยู่แล้วนี่ครับ คุณ Terminus เป็น Writer สามารถเอาข่าวตัวเองขึ้นได้อยู่แล้ว แต่เขากลับไม่เอาขึ้นมันก็น่าจะแปลว่ายังไม่เสร็จดี ซึ่งปกติระบบ Upcoming มันก็มีความหมายคล้าย ๆ แบบนี้อยู่แล้วนี่ครับ (คือรอให้ writer มาตรวจ)

terminus's picture

ปกติผมจะใช้วิธีนี้ในกรณีที่ผมเขียนข่าวหนักๆ ไม่ทันในวันนั้นและผมคิดว่าน่าจะมาใส่เติมให้จบได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง แต่รอบนี้ดูเหมือนผมจะทิ้งไว้นานเกิน จนเกิดความสับสน

iammeng's picture

บอกแล้วว่าพระเจ้าสร้างโลกและสิ่งสาระพัด

virusfowl's picture

DNA ก็ต้องมาก่อน RNA อยู่แล้วสิ D มันก็มาก่อน R เห็นๆ #fail

/me fade ตัวเองออกไปเงียบๆ ...