Rubrika: Vynikající projekty 2016

Praha, 5. prosince 2016 – Vědci Judit a Jiří Šponerovi se více než deset let věnují tématu, jak se na Zemi před 3,8 – 4 miliardami let vyvinul život. Pomocí chemických modelů se snaží rekonstruovat sérii procesů, kterými z molekul běžných v tehdejší atmosféře mohlo dojít ke vzniku prvních molekul RNA, díky kterým byl možný vznik života. Šponerovi v minulém týdnu ukázali v prestižních světových časopisech dva konkurenční scénáře.

Atmosféra na Zemi před 4 miliardami let byla opravdu velmi divoká. Teploty kolem 100 stupňů Celsia, vysoká geologická aktivita, sopky, blesky, dopady masivních asteroidů a meteoritů, silné ultrafialové záření. Možná pro tyto nevlídné podmínky se dříve kladl původ života mimo Zemi. Tzv. hypotéza panspermie tvrdí, že život byl přinesen z vesmíru mikroorganismy na spadlém meteoritu. Moderní věda tomu ale již dávno nevěří, život na Zemi zkrátka vznikl na Zemi. Jde ale o to, jak k tomu došlo.

Na tomto poli spolu dnes soutěží dvě koncepce vzniku života. Obě pracují s předpokladem, že pro vznik života byla klíčová samovolná syntéza prvních molekul RNA, neboli ribonukleové kyseliny. Ta je schopná se kopírovat a vylepšovat a je předchůdkyní DNA, deoxyribonukleové kyseliny, která je nositelkou genetické informace moderních organismů. Zastánci starší teorie se domnívají, že první molekuly RNA vznikly sérií chemických procesů z molekuly kyanovodíku. Druhá teorie klade původ RNA do formamidu, česky amidu kyseliny mravenčí. “Naše pozice je unikátní v tom, že pracujeme na obou scénářích,” říká Jiří Šponer, který vede Laboratoř struktury a dynamiky nukleových kyselin na Biofyzikálním ústavu AV ČR a na Středoevropském technologickém institutu Masarykovy univerzity v Brně. “Jinak jsou bohužel tábory zastánců obou teorií, jak se říká, na nože,” uvádí.

Brněnská laboratoř struktury a dynamiky nukleových kyselin je světovým lídrem v teoretických výpočtech a spolupracuje se zastánci obou teorií u nás, v Itálii, Anglii a USA. V posledním čísle prestižního časopisu Nature Chemistry vyšel článek, jenž zaplňuje mezery v dosavadních znalostech možností syntézy prvních stavebních kamenů RNA v rámci kyanovodíkové cesty. Jedním z jeho dvou hlavních autorů je doktorand Šponerových Rafal Szabla, který zdůrazňuje klíčovou roli ultrafialového záření a fotochemických procesů pro tento nově objevený krok.

Současně s prací v Nature Chemistry byla týmu manželů Šponerových uveřejněna práce v časopise WIRES RNA, a ta se věnuje zase formamidové cestě vzniku života. “Tato teorie předpokládá, že k tvorbě stavebních kamenů (cyklických nukleotidů) pro syntézu RNA došlo v jezírkách kapalného formamidu nad teplotou bodu varu vody kolem obřích sopek,” uvádí Judit Šponer. Tato jezírka vznikla pravděpodobně v důsledku vysoké teploty spojené s enormní vulkanickou činností. Následná syntéza prvních molekul RNA mohla být vyvolána rychlým porušením chemické rovnováhy v důsledku prudkého ochlazení například při pohybu materiálu po svahu sopek, kolísáním vulkanické a atmosférické aktivity a střídáním dne a noci. Brněnská laboratoř ve spolupráci s italskými vědci přišla s tvrzením, že samovolná syntéza krátkých řetězců RNA s bází guanin sloužila jako startovací chemický proces pro syntézu všech dalších molekul RNA. “Jedním z rozdílů mezi formamidovou a kyanovodíkovou koncepcí vzniku života je právě míra termodynamické nerovnovážnosti chemických procesů,” vysvětluje Judit Šponer. “Čistý kyanovodík totiž na rozdíl od formamidu nelze akumulovat, je příliš reaktivní.  Kyanovodíková cesta tudíž mohla začít v prostředí s nižší teplotou než je bod varu vody,” dodává.

Dotazů kolem původu života zbývá ale ještě dost. Jednou z největších výzev je zjistit, jak začínaly spoluúčinkovat RNA a aminokyseliny, tzn. stavební jednotky bílkovin. To je jedna z otázek, na niž by se brněnská laboratoř chtěla v budoucnu soustředit.

Jiří Šponer patří mezi nejcitovanější české vědce a zabývá se strukturní dynamikou, funkcí a evolucí molekul nukleových kyselin. Toto tematické rozkročení mu umožňuje také počítačová chemie, na jejímž vývoji se výrazně podílel. Judit Šponer vede v laboratoři výzkum původu života. Práce o původu života jsou ryze základní a interdisciplinární, pohybují se na pomezí fyzikální chemie, biochemie a molekulární biologie. Hlavním pracovištěm manželů Šponerových je Biofyzikální ústav AV ČR a dále pracují na Středoevropském technologickém institutu – Masarykova univerzita (CEITEC MU). Výzkum byl financován Grantovou agenturou České republiky.