Enhanced Fidelity and Sequence Generality of an RNA Polymerase Ribozyme

قبل وقت طويل من وجود الحياة المعقدة التي تمتلك الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) والبروتينات، يعتقد العلماء أن الأنظمة الحية الأولى كانت مبنية بالكامل من جزيء واحد يسمى الحمض النووي الريبوزي (RNA). في ذلك العصر القديم، الذي يُطلق عليه غالباً "عالم الـ RNA"، كان على هذا الحمض أن يقوم بمهمتين مزدوجتين: حمل التعليمات الجينية مثل المخطط، والعمل كآلة لنسخ نفسه، مثل عامل المصنع. ولكي تنمو الحياة وتتطور، كان على آلة الـ RNA هذه أن تكون دقيقة للغاية؛ فإذا ارتكبت الكثير من الأخطاء أثناء نسخ تعليماتها الخاصة، ستصبح المعلومات مشوشة وغير مفيدة، مما يؤدي إلى انهيار النظام. ومع ذلك، فإن إنشاء جزيء RNA يمكنه نسخ نفسه بدقة عالية يمثل تحدياً هائلاً. وبينما نجح العلماء سابقاً في هندسة إنزيمات RNA يمكنها بناء خيوط RNA أخرى، إلا أن هذه النسخ الأولى كانت خرقاء، حيث لم تستطع سوى نسخ تسلسلات بسيطة وغير مهيكلة، وغالباً ما كانت ترتكب أخطاء كثيرة جداً تجعل من الصعب استدامة نظام حي. لقد كانت تشبه آلة تصوير لا يمكنها إلا التعامل مع الورق الأبيض أو النصوص ذات السطر الواحد، وتفشل كلما أصبح المستند معقداً أو مطوياً في شكل ما.

قام فريق من الباحثين في معهد سالك (Salk Institute) الآن بهندسة نسخة جديدة من آلة الـ RNA هذه تتغلب على تلك القيود. فمن خلال إخضاع الإنزيم لعملية صارمة من التجربة والخطأ، ابتكروا "ريبوزيم" (ribozyme)، أو إنزيم RNA، يمكنه نسخ خيوط RNA معقدة ومطوية بدقة ملحوظة. ويمثل هذا الجهاز الجديد، الذي أُطلق عليه اسم 85h34، قفزة نوعية كبيرة؛ إذ يمكنه قراءة القوالب الصعبة التي كان من المستحيل نسخها سابقاً، ويرتكب أخطاء أقل بكثير من أسلافه. والأهم من ذلك، أنه يستطيع القيام بذلك حتى عندما تصبح البيئة الكيميائية أقل ملاءمة، وهو شرط يجبر الآلة على أن تكون أكثر حذراً. هذا الإنجاز يقرب العلماء خطوة أخرى من إنشاء نظام ذاتي التكرار يمكنه التطور من تلقاء نفسه، مما يقدم لمحة عن كيفية بدء الحياة من كيمياء بسيطة.

بدأت الرحلة لإنشاء هذه الآلة المحسنة من نسخة سابقة لإنزيم بوليميراز الـ RNA، المعروف باسم 52-2. وبينما كان هذا النموذج الأولي قادراً على نسخ الـ RNA، إلا أنه عانى من ضعف الدقة، خاصة عندما يكون القالب طويلاً أو ذا بنية معقدة. وعندما حاول نسخ جزيء RNA محدد يسمى "class I ligase"، والذي يبلغ طوله 97 وحدة، ارتكب من الأخطاء ما جعل النسخ الناتجة عديمة الفائدة تقريباً. ولإصلاح ذلك، قرر الباحثون وضع الإنزيم تحت ضغط شديد؛ حيث صمموا تجربة يكون السبيل الوحيد لنجاة الإنزيم وتكاثره هو نجاحه في بناء نسخة عاملة من "class I ligase". فإذا ارتكب الإنزيم خطأً، فلن تعمل النسخة، وسيتم استبعاد ذلك الإصدار من الإنزيم.

أجرى الباحثون عملية الاختيار هذه لـ 33 جولة إضافية من التطور. ومع كل جولة، كانوا يجعلون المهمة أصعب؛ حيث قللوا الوقت المتاح للإنزيم لإنجاز المهمة، والأهم من ذلك، خفضوا تركيز أيونات المغنيسيوم في المحلول. يعمل المغنيسيوم كمساعد للتفاعل الكيميائي، ولكن من خلال تقليل كميته، أجبر الباحثون الإنزيم على العمل بكفاءة وحذر أكبر. كما أن التركيز المنخفض للمغنيسيوم يجعل من الصعب على الإنزيم تجاهل الأخطاء، مما يعاقبه فعلياً على أخطاء النسخ. وخلال هذه الجولات الـ 33، تغيرت مجتمع إنزيمات الـ RNA بشكل دراماتيكي. وقد تتبع الباحثون هذه التغييرات عبر تسلسل الشفرة الجينية للإنزيمات في كل خطوة، مراقبين كيف تصعد أو تهبط مجموعات مختلفة، أو "كلادات" (clades)، من الطفرات في الشعبية.

كشفت البيانات عن تاريخ معقد من المنافسة. في بداية العملية، أصبحت مجموعة من الإنزيمات مهيمنة لأنها كانت دقيقة جداً، لكنها كانت بطيئة جداً في إنجاز المهمة ضمن الحدود الزمنية المختصرة. ومع زيادة الضغط، اندثرت هذه المجموعة. وبدأت مجموعتان أخريان، كانتا موجودتين بأعداد صغيرة، في الازدهار؛ حيث حسنت إحدى المجموعات قدرتها على التعامل مع الأجزاء المطوية والصعبة من القالب، بينما أصبحت الأخرى أفضل في الحفاظ على السرعة والدقة في ظل ظروف انخفاض المغنيسيوم. حملت هاتان المجموعتان مجموعات مختلفة من الطفرات المفيدة التي كانت تفصل بينها مسافات كبيرة في تسلسل الـ RNA، مما جعل من شبه المستحيل أن تندمج سماتهما المثلى طبيعياً من خلال إعادة التشكيل العشوائي. ولحل هذه المشكلة، قام الباحثون بدمج أفضل الميزات من كلتا المجموعتين يدوياً في إنزيم هجين واحد.

أثبت هذا الهجين الجديد، المسمى 85h34، أنه قوة ضاربة؛ إذ يمكنه تخليق "class I ligase" المعقد بإنتاجية عالية، حتى في الظروف التي فشلت فيها النسخ القديمة تماماً. وعند اختباره على مجموعة متنوعة من قوالب الـ RNA، بما في ذلك تلك التي تحتوي على تسلسلات صعبة وبنى مطوية، تفوق 85h34 باستمرار على أسلافه. يمكنه نسخ القوالب التي تحتوي على امتدادات طويلة من التسلسلات الصعبة القراءة، ويمكنه حتى فك وتنسخ عبر حلقات "دبوس الشعر" (hairpin loops) التي كانت تسبب توقف الإنزيمات القديمة. ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن 85h34 حافظ على قدرته على العمل عندما تم خفض تركيز المغنيسيوم إلى 10 ميلي مولار فقط، وهو مستوى منخفض جداً لم يتمكن أي بوليميراز RNA آخر من العمل عنده، بشرط إضافة عامل ازدحام جزيئي (8% PEG8000) إلى المحلول.

تم قياس دقة هذه الآلة الجديدة من خلال عد الأخطاء التي ترتكبها أثناء عملية النسخ. فقد كان إنزيم 52-2 القديم يرتكب أخطاءً حوالي 14 مرة لكل 100 نيوكليوتيد ينسخها عند العمل على "class I ligase". وفي المقابل، يرتكب إنزيم 85h34 الجديد أخطاءً حوالي 6 مرات فقط لكل 100 نيوكليوتيد في الظروف القياسية، وانخفض هذا الرقم إلى 5 أخطاء فقط لكل 100 عند العمل في بيئة المغنيسيوم المنخفضة. جاء هذا التحسن من مصدرين: فالإنزيم الجديد كان أفضل في اختيار اللبنات الصحيحة للبدء بها، وكان أفضل بكثير في إيقاف نفسه إذا كان قد ارتكب خطأ بالفعل. ومن خلال رفض الاستمرار في نسخة معيبة، منع تراكم الأخطاء في المنتج النهائي.

تكمن أهمية هذا العمل فيما يتيحه من إمكانيات؛ فلكي تتطور الحياة، يجب تمرير المعلومات الجينية بوفاء كافٍ للحفاظ على السمات المفيدة، ولكن مع قدر كافٍ من التباين للسماح بالابتكار. لقد تجاوز بوليميراز 85h34 عتبة حرجة حيث يمكنه نسخ الـ RNA الوظيفي المعقد دون أن تتحلل المعلومات إلى معنى غير مفهوم. وهذا يعني أن العلماء يمكنهم الآن استخدام هذا الإنزيم لتطوير جزيئات RNA أخرى، مما يخلق نظاماً يمكن فيه للـ RNA ليس فقط نسخ نفسه، بل تحسين نفسه أيضاً بمرور الوقت. ويشير الباحثون إلى أن عملية "التمهيد الذاتي" (bootstrapping) هذه، حيث تقوم آلة نسخ أفضل بصناعة نسخ أفضل من نفسها، يمكن أن تؤدي في النهاية إلى نظام RNA ذاتي التطور بالكامل. ورغم أن الورقة البحثية لا تدعي أنها خلقت حياة، إلا أنها قامت ببناء أكثر آلة نسخ RNA قدرة حتى الآن، مما يوفر أداة قوية لاستكشاف الأصول الكيميائية للحياة والمبادئ الأساسية للتطور.