لماذا اختار الحمض النووي الثايمين؟ دراسة تشير إلى «واقي شمس» من الأشعة فوق البنفسجية

تفسير جديد لأحد الألغاز الكيميائية الراسخة في الحمض النووي

لماذا يستخدم الحمض النووي الثايمين مع أن الجزيء عرضة للأشعة فوق البنفسجية؟ يشير بحث جديد من Texas A&M University إلى إجابة محتملة: قد يساعد الثايمين في توجيه الضرر الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية إلى صورة أكثر قابلية للعكس.

تقارن الدراسة بين الثايمين واليوراسيل في ظروف فوق بنفسجية مضبوطة تهدف إلى محاكاة بيئة الإشعاع الشديد على الأرض البدائية. ويقول الباحثون إن النتائج تقدم تفسيراً محتملاً لسبب تحول الثايمين إلى أحد اللبنات الأساسية للحمض النووي عندما ابتعدت الأنظمة الحيوية عن RNA أحادي السلسلة.

نُشر العمل في Proceedings of the National Academy of Sciences. ويتناول تناقضاً ظاهرياً قديماً في كيمياء الحياة: فالثايمين عرضة للضرر الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية، لكنه حل محل اليوراسيل عندما ظهر الحمض النووي بوصفه الشفرة الحيوية الرئيسية.

على الأرض المبكرة، ومن دون طبقة أوزون واقية، كان الإشعاع فوق البنفسجي القادم من الشمس يمثل تحدياً مستمراً للجزيئات الحيوية الناشئة. وقد يبدو أن لبنة شديدة القابلية للضرر الناجم عن الضوء خيار غير مرجح لنظام وراثي متين.

قد يكون بالإمكان التحكم في الضرر بدلاً من تجنبه

استخدم فريق Texas A&M أساليب ضوئية لدراسة ما يحدث عندما يتعرض الثايمين واليوراسيل للأشعة فوق البنفسجية. واستند نهجهم إلى علم الضوئيات الحيوية، وهو مجال يستخدم تقنيات بصرية تشمل مطيافية الامتصاص والفلورية ورامان لتحليل الجزيئات.

أفاد الباحثون بأن الثايمين كان يميل إلى توجيه الضرر فوق البنفسجي نحو صورة أكثر قابلية للعكس. وتفسيرهم هو أن الجزيئات الوراثية المبكرة ربما نجت من ضوء الشمس القاسي ليس فقط بتجنب الضرر الكيميائي الضوئي، بل بالتحكم في صورته وجعل التعافي أكثر احتمالاً.

تقدم هذه النتيجة طريقة مختلفة لفهم مرونة الجزيئات. فبدلاً من السؤال عما إذا كان الجزيء مقاوماً للإشعاع تماماً، يبحث العمل في ما إذا كانت النتائج الجزيئية للإشعاع قابلة للإدارة. ووفقاً لهذا التصور، ربما ارتبطت قيمة الثايمين بمسار الضرر وإمكانات عكسه، لا بغياب الضرر.

فحصت الدراسة نواتج الثايمين الضوئية التي تحفزها الأشعة فوق البنفسجية، بما في ذلك ثنائيات بيريميدين السيكلوبوتان وما يسمى النواتج الضوئية 6-4. وتشكل هذه النواتج جزءاً من الكيمياء التي تنشأ عندما يتفاعل الضوء فوق البنفسجي مع قواعد الحمض النووي. وتقارن الدراسة سلوك الثايمين واليوراسيل لفهم كيفية تأثير الاختيار الكيميائي بينهما في بقاء المادة الوراثية المبكرة.

من RNA إلى DNA

يختلف RNA وDNA في جوانب مهمة عدة، من بينها استبدال كيميائي معروف: يستخدم RNA اليوراسيل، بينما يستخدم DNA الثايمين. وقد أثار سبب وجود الثايمين في DNA نقاشاً علمياً لعقود، ولا سيما بسبب مشكلة التعرض للأشعة فوق البنفسجية على الأرض المبكرة.

يصف الباحثون النتيجة بأنها مساهمة في فهم التطور الجزيئي وأصول الحياة. فهي لا تعيد خلق البيئة الكاملة التي تطور فيها DNA، ولا تثبت سبباً وحيداً وحاسماً للانتقال من RNA إلى DNA. لكنها تقدم آلية قابلة للاختبار تعالج مفارقة الأشعة فوق البنفسجية مباشرة.

وتكتسب الآلية المقترحة أهميتها لأنها تتعامل مع البقاء بوصفه خاصية كيميائية ديناميكية. فالسؤال ليس فقط ما إذا كان ضوء الشمس يسبب عيوباً في جزيء وراثي، بل أيضاً ما إذا كان يمكن توجيه هذه العيوب إلى نتائج أقل ديمومة أو أسهل عكساً.

القياسات المعتمدة على الضوء تفتح نافذة على الكيمياء المبكرة

قاد البحث Peter Rentzepis، الأستاذ في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب في Texas A&M، بمساعدة الباحثين Keyvan Khosh Abady وNegar Karpourazar. ويستخدم عملهم التحليل الطيفي لمتابعة السلوك الجزيئي تحت تعرض ضوئي مضبوط.

يناسب علم الضوئيات الحيوية هذا النوع من الأسئلة لأنه يستطيع فحص كيفية امتصاص الجزيئات للضوء وإصدارها له، وكيف تتغير بصماتها الاهتزازية. ويمكن لهذه الملاحظات أن تساعد الباحثين في استنتاج العمليات الجزيئية التي يطلقها الإشعاع فوق البنفسجي.

وباستخدام ظروف مضبوطة تهدف إلى محاكاة بيئة الإشعاع على الأرض المبكرة، سعى الباحثون إلى عزل ضغط تطوري محدد: وصول ضوء الشمس الشديد إلى السلائف الجزيئية قبل وجود الحماية الجوية الحديثة. ولذلك لا تتعلق الدراسة بجزيء حيوي معاصر فحسب، بل بكيفية احتمال صمود الأنظمة الكيميائية أمام ظروف مختلفة جذرياً عن ظروف الأرض اليوم.

دلالات على أبحاث أصول الحياة

يجب أن تفسر أبحاث أصول الحياة كلاً من التكوّن والاستمرارية. فقد يكون الجزيء معقولاً كيميائياً، لكن النظام الوراثي المفيد يحتاج أيضاً إلى البقاء مدة تكفي لتخزين المعلومات والمشاركة في مزيد من التطور. وتتصل نتائج Texas A&M بمشكلة الاستمرارية هذه.

ولا يعني تأثير «واقي الشمس الجزيئي» أن الثايمين منع الضرر فوق البنفسجي تماماً. بل يشير إلى أنه ربما أثّر في مسار الضرر بطريقة تفضل قابليته للعكس. وهذا التمييز محوري في تفسير الباحثين لسبب اختيار DNA لجزيء عرضة للأشعة فوق البنفسجية.

تضيف الدراسة دليلاً جزيئياً محدداً إلى لغز علمي أكبر بكثير. كيف تشكلت الأنظمة الحيوية واستمرت وتطورت في ظروف الأرض المبكرة المعادية؟ لا يمكن لتجربة واحدة أن تحسم ذلك التاريخ. ومع ذلك، قدم الباحثون، بمقارنة الثايمين واليوراسيل تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية، آلية كيميائية يمكن أن تساعد في تفسير أحد أهم خيارات DNA.

ستكون هناك حاجة إلى مزيد من العمل لاستكشاف مدى انطباق الآلية وكيف تتفاعل مع العوامل الأخرى المشاركة في تطور الجزيئات الوراثية. وفي الوقت الحالي، تعيد الدراسة صياغة هشاشة الثايمين باعتبارها ميزة محتملة: ربما لم يكن المهم تجنب ضرر الشمس، بل جعل هذا الضرر أقل نهائية.

يستند هذا المقال إلى تقرير نشره Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.