השערת עולם ה-RNA

השערת עולם ה-RNA היא השערה מדעית בקשר למוצא החיים. על פי ההשערה, צורות החיים הקדומות ביותר בכדור הארץ היו בנויות מ-RNA שמילא הן את תפקיד האנזימים שממלאים בעיקר חלבונים והן את תפקיד החומר התורשתי שממלא היום כמעט לחלוטין ה-DNA. לפי השערה זו, כאשר ה-RNA נעטף בקרום ליפידי, נוצרו התאים החיים הראשונים. תאים אלה היו פרוקריוטים.

תימוכין עיקריים
השערת עולם ה-RNA נתמכת על ידי מספר תכונות חשובות של ה-RNA, אשר התגלו במחצית האחרונה של המאה ה-20. אלה כוללות את היכולת של מולקולות RNA בודדות לאחסן, להעביר ולשכפל מידע גנטי (בדומה ל-DNA) וכן להיות זרז של תהליכים. בשל יכולות אלה לשלב פעילויות של DNA וחלבונים, חוקרים רבים מאמינים שפעם ל-RNA המוכר לנו היום הייתה יכולות קיום עצמאית ושהוא הבסיס ליצירה של החיים. התאוריה של קיום חיים בצורת RNA תוארה לראשונה בספרו של קרל ווסה "הקוד הגנטי" בשנת 1967 והתפרסמה בשם "עולם ה-RNA" בספר בשם זה מאת ולטר גילברט ב-1986. השערת עולם ה-RNA קיבלה חיזוק ניכר בשנת 2001 לאחר שעדה יונת פענחה את מבנה הריבוזום וחשפה כי כלל הפעילות הקטליטית הדרושה לסינתזת חלבון מתבצעת למעשה על ידי RNA ריבוזומלי.

בשנת 2017 הראתה סימולצית מחשב כי קיימת התכנות להיווצרות עולם RNA בשלוליות חמימות בתנאי כדור הארץ הקדום, וכי ההשערה שאבני הבניין הנדרשות לתהליך יסופקו על ידי מטאוריטים היא מתקבלת על הדעת.

RNA קטליטי
רוב הפעילות האנזימטית בתאים החיים כיום נעשית על ידי חלבונים. אולם חלק מהפעילות האנזימטית בתאים מתבצע על ידי RNA קטליטי והפעילות האנזימטית הזו. שם נוסף ל-RNA קטליטי הוא הריבוזים (Ribozyme), אנזים הבנוי מ-RNA והמסוגל לבצע פעילות קטליטית, בדומה לחלבונים רבים. ה-RNA הראשון מסוג זה שהתגלה היה RNA שחותך את עצמו, RNA שהתגלה במחקריו של תומאס צ'ק בשנת 1982, מחקר שזיכה אותו בנובל 7 שנים מאוחר יותר. שנתיים לאחר מכן התגלה RNA נוסף שיכול לעשות פעילות קטליטית, ה-tRNA, מחקר שזיכה את המגלה, סידני אלטמן גם כן בפרס נובל יחד עם תומאס צ'ק.

RNA כחומר תורשתי
בכל תא חי, רוב החומר התורשתי חייב לעבור תעתוק מ-DNA ל-RNA על מנת לאפשר קיום פעילות חיים כל שהיא בעזרתו. דהיינו, המידע התורשתי חייב להיות מוצג בצורת RNA למערכת החיה. הדבר מחזק את ההשערה שה-RNA קדם אבולוציונית ל-DNA. הוכחות נוספות מגיעות מתחום האבולוציה של הנגיפים. ישנם נגיפים שהחומר התורשתי שלהם הוא DNA בדומה לתאים החיים וכאלה שהחומר התורשתי שלהם הוא RNA, כפי שהחוקרים מאמינים שהיה החומר התורשתי של התאים הראשונים. נוסף לכך, יש נגיפים שהם נגיפי רטרו (כגון נגיף האיידס) שמחזור חייהם כולל מעבר מ-RNA כחומר תורשתי ל-DNA כחומר תורשתי. כאשר נגיף רטרו חודר לתא, החומר התורשתי שלו "משועתק לאחור" (מכאן השם רטרו) מ-RNA ל-DNA, בשונה מהדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית. ה-DNA הנגיפי החדש משתלב ב-DNA של התא המאחסן ומשלב זה ה-DNA הנגיפי מתחיל לפעול כאילו הוא חלק מה-DNA של התא המאחסן.

בסיס ההשערה - זיווג בסיסים 
ה-RNA וה-DNA הן חומצות גרעין בעלות מבנה דומה מאוד, אלה פולימרים של נוקלאוטידים. השערת עולם ה-RNA מניחה שבמרק הקדום (primordial soup) היו קיימים נוקלאוטידים חופשיים, אשר חברו לפעמים זה לזה, אך אנרגיית הקשר הייתה נמוכה מדי והקשרים הללו התפרקו. בשלב מסוים נוצרו באקראי מספר פולימרים שהיו מיוצבים יחסית וכך הצליחו לשרוד לאורך זמן. ככל שנוצרו באקראי שרשראות ארוכות יותר הן היו בעלות כושר שרידות רב יותר וכך באמצעות מנגנון ברירה טבעית נוצרו מולקולת ה-RNA הפעילות הראשונות. הסלקציה המשיכה לפעול ונוצרו לאורך זמן מולקולות RNA בעלות יכולות שכפול עצמי משופר, אשר היוו את הבסיס ל-RNA המוכר לנו כיום.

לפי ההשערה, מנגנון שיצר יתרון סלקטיבי הוא שיתוף פעולה בין מולקולות RNA שונות, תהליך שבסופו של דבר הוביל ליצירת האב-טיפוס של התא. בסוף של תהליך אקראי ארוך נוסף נוצרו גם מולקולות RNA שיכלו לעזור ביצירת קשרים פפטידיים מחומצות אמינו שתרמו ליצירת החלבונים הראשונים. למולקולת RNA אלו היה יכול להיות יתרון סלקטיבי בכך שהחלבונים שנוצרו יכלו לתרום ליכולת השכפול העצמי שלהם.

בעיות בהשערה

בעיית יציבות ה-RNA 
אחד הקשיים הראשוניים שבהם נתקלת השערת עולם ה-RNA היא חוסר היציבות שנצפה במולקולת ה-RNA הידועות לנו היום, אשר מתפרקות באמצעות הידרוליזה בקלות רבה. גם ללא הידרוליזה, פירוק מהיר נצפה כתוצאה מקרינת רקע.

אחת האלטרנטיבות לשימוש ב-RNA בעולם הפרה-ביוטי היא לכן שילוב של RNA וחלבון ה-PNA, מולקולה יציבה יותר ואשר מסתמנת כיותר קלה לסינתזה בתנאים ששררו כנראה בעולם הפרה-ביוטי. הסבר אפשרי אחר הוא שהקרינה האולטרה סגולה שהייתה חזקה יותר בעולם הקדום, עזרה לייצב את ה-RNA ופירקה דווקא את הגורמים שפגעו בו (RNAses).

בעיות אחרות בהשערה 
 בניסויים דמויי ניסוי מילר-יורי (Miller-Urey-type experiments) שבהם ניסו לייצר חומרים אורגניים בתנאי מעבדה לא נוצרו נוקלאוטידים. אלה אמורים היו להיווצר משילוב של בסיס חנקני, ריבוז וזרחות, שהיו כנראה קיימים בעולם הקדום.
 אחד הנוקלאוטידים, הציטוזין מתפרק בקלות והמדענים טרם הצליחו להגדיר סימולציה סבירה עבור פעילותו בעולם הפרה-ביוטי.
 בסימולציות שתיארו היתכנות של היווצרות נוקלאוטידים בעולם הפרה-ביוטי שררו תנאים שאמנם יכלו לאפשר יצירת נוקלאוטידים, אך מנעו יצירת סוכרים המכילים קבוצות פורמאלדהיד רבות. בנוסף הוספת זרחן מהווה בעיה קשה, היות שזה כמעט לא קיים בתמיסה ומתנדף בקלות.
 על מנת שנוקלאוטידים יתחברו לכדי מולקולת RNA, יש צורך בשפעול אנרגטי. זה יכול לקרות לפורינים על גבי תבנית שכולה פירימידינים, אך הריאקציה אינה מתרחשת בכיוון ההפוך.
 לפי מבקרי ההשערה, לתהליך יצירת RNA פשוט ביותר, דרושות כ-18 ריאקציות בתנאים שונים, ועל מנת ליצור כמות משמעותית של RNA יש צורך שריאקציות אלה יתרחשו באופן רציף על פני מיליוני שנים.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
ראשית החיים