06. เยื่อหุ้มและเครื่องจักร
ทรงกลมกลวงใบแรกไม่ได้ถูกสั่งให้เกิด มันเกิดขึ้นเอง ฉากคือน้ำตื้นที่อุ่น หรือกลุ่มควันจากปล่องน้ำพุร้อนใต้ทะเล เมื่อราวสี่พันล้านปีก่อน โมเลกุลกรดไขมันเบียดกันอยู่ในสารละลาย แต่ละโมเลกุลเป็นสายโซ่คาร์บอนยาว หัวรักน้ำ หางหนีน้ำ พอมันมารวมกันมากพอ มันม้วนตัวเป็นทรงกลมกลวงทันทีโดยธรรมชาติ ไม่มียีนใดสั่งการสิ่งนี้ และยังไม่มีคำสั่งใดอยู่เลยที่จะสั่งมันได้ นี่เป็นเพียงรูปทรงที่เคมีชนิดนี้เลือกเอง เมื่อความเข้มข้นและสภาวะแวดล้อมเอื้ออำนวย ทรงกลมกลวงที่ได้ออกมาเรียกว่าเวสิเคิล (vesicle) และมันคือร่างหยาบร่างแรกของ "ข้างใน" ที่แยกออกจาก "ข้างนอก"
เวสิเคิลเหล่านี้เป็นมากกว่าฟองอากาศที่นิ่งเฉย บทสังเคราะห์ปี 2016 ของ Roy Black และ Matthew Blosser สรุปไว้เช่นนั้น โดยต่อยอดจากงานหลายทศวรรษของผู้บุกเบิกอย่าง Deamer, Luisi, Szostak และ Rasmussen มันสร้างขึ้นจากกรดไขมันสายเดี่ยวยาวราวสิบถึงสิบห้าอะตอมคาร์บอน และประกอบตัวขึ้นได้ในสภาวะที่กว้างมาก pH ตั้งแต่ราว 6.5 ไปจนเกิน 12 ในน้ำที่เค็มแบบที่เชื่อกันว่ามหาสมุทรยุคแรกเริ่มเป็น มีทั้งโซเดียม แมกนีเซียม และแคลเซียมอยู่พร้อมกัน มันก่อตัวง่ายที่สุดที่ราว 70 องศาเซลเซียส ร้อนจนแสบมือ แต่ก็ไม่ใช่เรื่องแปลกเมื่อเทียบกับแหล่งน้ำพุร้อนใต้ทะเล เมื่อก่อตัวแล้ว มันจับและสะสมวัตถุดิบพื้นฐานของชีววิทยาไว้ในตัวเองอย่างจริงจัง ทั้งตัวอักษรแต่ละตัวที่ประกอบกันเป็นอาร์เอ็นเอ และน้ำตาลอย่างง่าย ส่วนกรดอะมิโนก็เข้าไปด้วย แม้ความแน่นอนในกรณีหลังจะน้อยกว่าเล็กน้อย
ผลของการสะสมความเข้มข้นนี้สำคัญกว่าที่ฟังดู โมเลกุลที่คัดลอกตัวเองได้ซึ่งลอยอยู่ในน้ำเปิดไม่ได้แข่งกับสิ่งใด และไม่ปกป้องสิ่งใดที่มันสร้างขึ้น โมเลกุลข้างเคียงที่มีประโยชน์ลอยหายไปในความกว้างใหญ่ของมหาสมุทร ห่อเคมีชุดเดียวกันนี้ไว้ในเยื่อไขมัน แล้วขอบเขตก็เกิดขึ้นทันที ข้างในกักตุนวัตถุดิบของตัวเองไว้ได้ ข้างนอกเจือจางมันออกไปทันทีไม่ได้ ขอบเขตนั้นทำงานจริงให้เคมีทุกอย่างที่มันห่อหุ้มไว้ นานก่อนจะมียีนสักตัวคอยสร้างมันขึ้นมาโดยตั้งใจ ทุกเซลล์ที่มีชีวิตอยู่ในปัจจุบันยังสวมทายาทบางรูปแบบของขอบเขตเดียวกันนั้น นั่นคือเยื่อสองชั้นของไขมัน (lipid bilayer) โมเลกุลไขมันเรียงกันสองชั้น หางชี้เข้าด้านในหนีน้ำ หัวชี้ออกด้านนอกเข้าหาน้ำ เวสิเคิลอย่างง่ายแบบเดียวกันนี้ในห้องทดลองทุกวันนี้ยังห่อหุ้มและปกป้องสายอาร์เอ็นเอสั้น ๆ ได้ จำลองขั้นตอนแรกที่มีผู้เสนอไว้เมื่อสี่พันล้านปีก่อนขึ้นมาใหม่ในจานทดลอง
เคมีของขั้นตอนแรกเป็นที่ยุติแล้วและไม่มีข้อโต้แย้ง จำนวนขั้นถัดไปที่มันเดินได้ด้วยตัวเองต่างหากที่ยังไม่ยุติ นักวิจัยยังถกกันว่าเยื่อหุ้มแบบนี้ทำอะไรได้มากเพียงใดโดยลำพัง ไม่มีใครช่วย ก่อนที่ความช่วยเหลือซึ่งเข้ารหัสทางพันธุกรรมจะมาถึงในรูปโปรตีนเยื่อหุ้มที่เซลล์สร้างขึ้นเอง อีกข้อที่ยังถกกันคือกรดอะมิโนเกาะติดเยื่อหุ้มยุคแรกเช่นนี้ได้แน่นเพียงใดโดยเฉพาะ เทียบกับที่นิวคลีโอเบสและน้ำตาลเกาะได้ดีเพียงใด
ปริศนาข้อที่สองคือเยื่อหุ้มชนิดใดเกิดขึ้นก่อน สองโดเมนใหญ่ของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวในปัจจุบันสร้างเยื่อหุ้มของตนจากชิ้นส่วนที่เป็นภาพสะท้อนกระจกทางเคมีของกันและกัน อาร์เคียใช้สายไฮโดรคาร์บอนแบบแตกกิ่งที่เรียกว่าไอโซพรีนอยด์ (isoprenoids) เชื่อมด้วยพันธะอีเทอร์ที่แข็งแรงเข้ากับแกนกลีเซอรอลรูปแบบภาพสะท้อนกระจกด้านหนึ่ง แบคทีเรียใช้สายกรดไขมันตรง เชื่อมด้วยพันธะเอสเทอร์ที่แตกง่ายกว่า เข้ากับแกนเดียวกันในรูปแบบภาพสะท้อนกระจกด้านตรงข้าม ยูคาริโอตาใช้แบบเดียวกับแบคทีเรีย เพราะรับเคมีของเยื่อหุ้มมาจากบรรพบุรุษคล้ายแบคทีเรีย นักชีววิทยาสันนิษฐานมานานว่าการแยกทางนี้เปิดขึ้นหลัง LUCA เท่านั้น เพราะไม่เคยพบสิ่งมีชีวิตใดคร่อมเคมีทั้งสองแบบไว้พร้อมกันเลย
ในปี 2021 Laura Villanueva, Bas Dutilh และเพื่อนร่วมงานตีกรอบสมมติฐานนั้นให้แคบลง โดยยังไม่ปิดคำถาม พวกเขาพบเส้นทางแบบอาร์เคียสำหรับสร้างไขมันอีเทอร์ ครบถ้วนและดูจะทำงานได้จริง ซ่อนอยู่ในจีโนมของแบคทีเรียธรรมดาในซูเปอร์ไฟลัม FCB กลุ่มแบคทีเรียขนาดใหญ่กลุ่มนี้ตั้งชื่อตามสามสายพันธุ์สมาชิกของมัน คือ Fibrobacteres, Chlorobi และ Bacteroidetes ยีนที่เกี่ยวข้องเปิดทำงานอยู่ในตัวอย่างจากสิ่งแวดล้อมตามธรรมชาติ ไม่ใช่เพียงมีอยู่แล้วเงียบเฉย ย้ายยีนแบคทีเรียเหล่านั้นเข้าไปใน E. coli ในห้องทดลอง ก็ได้เซลล์ที่เดินเยื่อหุ้มแบบผสมอย่างแท้จริง เคมีแบบอาร์เคียกับเคมีแบบแบคทีเรียอยู่เคียงกันในผนังเซลล์เดียวกัน ผลนี้ไม่ได้พิสูจน์ว่า LUCA เองมีเยื่อหุ้มแบบผสมสองมือเช่นนั้น ไม่มีสิ่งมีชีวิตใดยืนยันเรื่องนี้โดยตรง แต่มันแสดงให้เห็นว่าเคมีทั้งสองแบบถูกกั้นแยกจากกันน้อยกว่าที่การแบ่งแยกในตำราเรียนบอกไว้มาก
เครื่องจักรที่ไม่เคยเปลี่ยนแปลง
สิ่งที่ทำงานอยู่ภายในเยื่อหุ้มของ LUCA อ่านรหัสหกสิบสี่คำที่แข็งตัวแล้วจากช่วงสองตอนก่อนหน้า และใช้มันสร้างโปรตีนอยู่ก่อนแล้ว เยื่อหุ้มของ LUCA เองจะมีหน้าตาอย่างไรก็ไม่เปลี่ยนข้อนี้ สิ่งนั้นคือไรโบโซม เครื่องจักรระดับโมเลกุลขนาดใหญ่ สร้างขึ้นจากอาร์เอ็นเอเป็นส่วนใหญ่ มีโปรตีนเป็นนักแสดงสมทบ มันรับสายอาร์เอ็นเอนำสารเข้ามา แล้วร้อยเรียงกรดอะมิโนที่ตรงกันต่อกันเป็นสาย ทีละสามตัวอักษร
โครงสร้างเดียวชี้ขาดว่าเครื่องจักรนี้เองคือฟอสซิลที่ยังทำงานอยู่ของโลกอาร์เอ็นเอ ในปี 2000 Poul Nissen, Jeffrey Hansen, Nenad Ban, Peter Moore และ Thomas Steitz ไขโครงสร้างระดับอะตอมของหน่วยย่อยขนาดใหญ่ของไรโบโซมได้สำเร็จ ความละเอียดอยู่ที่ 2.4 อังสตรอม หน่วยที่เล็กพอจะแยกแยะอะตอมทีละตัวได้ วัสดุที่ใช้มาจาก Haloarcula marismortui อาร์เคียที่ชอบเกลือ ผลงานตีพิมพ์เป็นบทความคู่กันสองฉบับในวารสาร Science ฉบับเดียวกัน ทีมของ Ban อธิบายโครงสร้างโดยรวมของหน่วยย่อย ทีมของ Nissen เจาะไปที่บริเวณเร่งปฏิกิริยาโดยตรง ณ จุดที่กรดอะมิโนสองตัวถูกเย็บเข้าด้วยกันพอดี เรียกว่าศูนย์เปปติดิลทรานสเฟอเรส (peptidyl transferase center) ไม่มีโปรตีนตัวใดอยู่ใกล้พอจะแตะต้องปฏิกิริยานั้นได้เลย บริเวณเร่งปฏิกิริยาสร้างขึ้นจากโมเลกุลอาร์เอ็นเอสองตัวล้วน ๆ คือ 23S และ 5S ไรโบโซมัลอาร์เอ็นเอ Thomas Cech วิจารณ์ผลงานนี้ในบทวิจารณ์ที่ตีพิมพ์ในฉบับเดียวกัน และสรุปด้วยคำห้าคำว่า "ไรโบโซมคือไรโบไซม์" (the ribosome is a ribozyme) อาร์เอ็นเอชิ้นหนึ่งทำหน้าที่ที่ปกติสงวนไว้ให้เอนไซม์โปรตีน
นัยของเรื่องนี้ลึก อาร์เอ็นเอต้องเย็บกรดอะมิโนเข้าด้วยกันได้ก่อนที่โปรตีนจะมีอยู่เพื่อทำหน้าที่นั้นด้วยวิธีอื่นใด แกนเร่งปฏิกิริยาของไรโบโซมไม่ใช่คำอุปมาสำหรับโลกอาร์เอ็นเอ มันคือชิ้นส่วนหนึ่งของโลกนั้นที่ยังทำงานอยู่จริง ข้อเท็จจริงเชิงโครงสร้างนี้ไม่เคยถูกโต้แย้งอย่างจริงจังเลยนับตั้งแต่ปี 2000 สิ่งที่ยังศึกษากันอยู่อย่างต่อเนื่องคือไรโบไซม์เช่นนี้ประกอบตัวขึ้นครั้งแรกได้อย่างไรกันแน่ และมันไปได้เปลือกโปรตีนที่ห่อหุ้มรอบตัวมันมาในภายหลังได้อย่างไร
เปลือกนั้นมีประวัติศาสตร์ของตัวมันเอง และรูปทรงของไรโบโซมดูจะยังจดจำการสร้างมันไว้ ในปี 2009 Konstantin Bokov และ Sergey Steinberg ทำแผนที่รูปแบบการพับตัวภายในของหน่วยย่อยอาร์เอ็นเอไรโบโซมขนาดใหญ่ พวกเขาพบว่ามันเรียงเป็นชั้น ๆ ซ้อนกันรอบจุดศูนย์กลาง แกนโบราณอยู่ตรงกลาง แล้วมีเปลือกทับเข้ามาทีละชั้นในภายหลัง ไม่ใช่เส้นอาร์เอ็นเอที่พันกันอย่างไร้ระเบียบ ทั้งสองสรุปว่ากำเนิดของไรโบโซม "เกิดขึ้นเมื่อเกือบสี่พันล้านปีก่อน" ตัวเลขนี้ได้จากการให้เหตุผลผ่านโครงสร้าง ไม่ได้อ่านจากชั้นหินใด ๆ การวิเคราะห์ซ้ำในเวลาต่อมาโต้แย้งรายละเอียดจุดหนึ่ง งานชิ้นนั้นตีพิมพ์ใน Journal of Molecular Evolution ภายใต้ชื่อเรื่อง "Ancestral Insertions and Expansions of rRNA do not Support an Origin of the Ribosome in Its Peptidyl Transferase Center" มันตั้งคำถามว่าแกนโบราณนั้นตรงกับตำแหน่งที่สร้างพันธะเปปไทด์พอดีหรือไม่ โดยไม่ได้ล้มล้างภาพรวมที่เป็นชั้น ๆ นั้นเลย
การศึกษาแยกต่างหากในปี 2015 โดย Anton Petrov และเพื่อนร่วมงาน สร้างลำดับการเติบโตหกระยะที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นสำหรับระบบแปลรหัสทั้งระบบ แกนอาร์เอ็นเอบรรพบุรุษเรียนพับตัวให้ถูกต้องก่อนเป็นอันดับแรก จากนั้นเร่งปฏิกิริยาเคมีได้ จากนั้นจับคู่กับหน่วยย่อยที่สอง จากนั้นวิวัฒนาการร่วมไปกับคู่หูโปรตีนที่กำลังก่อตัวขึ้น จากนั้นเดินวงจรถอดรหัสที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงาน และเป็นลำดับสุดท้ายเท่านั้นที่พื้นผิวด้านนอกซึ่งเต็มไปด้วยโปรตีนแบบปัจจุบันจึงก่อร่างขึ้น ไรโบโซมทุกตัวที่มีชีวิตอยู่ยังแบกแกนที่เป็นชั้น ๆ ชุดเดียวกันนี้ไว้ ไรโบโซมของยูคาริโอต ชนิดที่พบในเซลล์ที่มีนิวเคลียส เพิ่มชั้นที่ใหม่กว่าเข้ามาอีกสองชั้นเป็นของตัวเอง คือส่วนขยายอาร์เอ็นเอยาวคล้ายหนวด ที่ไม่พบที่ใดอีกในต้นไม้แห่งชีวิต แบบจำลองการสะสมชั้นเช่นนี้มีหลายแบบและแข่งกันอยู่ในเรื่องลำดับที่แน่นอนของแต่ละชั้น ทิศทางกว้าง ๆ ไม่มีใครขัดแย้งกัน แกนอาร์เอ็นเอโบราณขนาดเล็ก เติบโตขยายออกไปเป็นเครื่องจักรลูกผสมในปัจจุบัน
ขั้นตอนการอ่านทำงานด้วยการแบ่งหน้าที่ระหว่างโมเลกุลสองประเภท ดังที่บทปริทัศน์ฉบับครอบคลุมปี 2020 ของ Miguel Angel Rubio Gomez และ Michael Ibba วางไว้ ตระกูลเอนไซม์ที่เรียกว่าอะมิโนแอซิล-ทีอาร์เอ็นเอ ซินทีเทส (aminoacyl-tRNA synthetases) ทำหน้าที่เป็นแม่สื่อระดับโมเลกุล และเป็นตระกูลเอนไซม์ตระกูลเดียวที่สิ่งมีชีวิตทั้งหมดใช้ร่วมกัน มันเชื่อมกรดอะมิโนทั้งยี่สิบชนิดเข้ากับทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอที่ถูกต้องของแต่ละตัว โมเลกุลตัวปรับนั้นแบกแอนติโคดอนสามตัวอักษรที่ตรงกันไว้ และเอนไซม์ตรวจการจับคู่แล้วตรวจซ้ำอีกครั้งก่อนปล่อยออกไป เมื่อขั้นตอนติดฉลากนี้เสร็จอย่างถูกต้อง ไรโบโซมเองไม่ตรวจสอบเอกลักษณ์ทางเคมีของกรดอะมิโนซ้ำอีกเลย มันเชื่อการจับคู่สามตัวอักษรระหว่างโคดอนบนสายอาร์เอ็นเอนำสารกับแอนติโคดอนบนทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอที่เข้ามา แล้วสร้างพันธะขึ้น เรื่องแปลกอยู่ตรงที่เอนไซม์แม่สื่อมีอยู่สองตระกูลที่ไม่เกี่ยวข้องกันเลยในเชิงโครงสร้าง คือคลาส I และคลาส II ตระกูลละสิบเอนไซม์ ทั้งสองวิวัฒนาการขึ้นอย่างเป็นอิสระต่อกันเพื่อทำหน้าที่เดียวกันเป๊ะ เหตุผลของการแยกนี้ยังเป็นคำถามเปิด และมันย้อนกลับไปถึงยุคสร้างรหัสก่อน LUCA จากช่วงสองตอนก่อนหน้า
วางสองครึ่งของระบบการอ่านไว้เคียงกัน แล้วเครื่องจักรทั้งตัวก็อ่านได้เหมือนบันทึกฟอสซิลในตัวของมันเอง ครึ่งหนึ่งคือการเร่งปฏิกิริยาด้วยอาร์เอ็นเอล้วน ๆ ที่แกนกลางของไรโบโซม อีกครึ่งคือความแม่นยำที่อาศัยโปรตีนในขั้นตอนติดฉลาก มันคือทหารผ่านศึกจากโลกอาร์เอ็นเอที่สวมเครื่องมือซึ่งสร้างขึ้นโดยโลกโปรตีน โลกที่มันเองมีส่วนช่วยให้ถือกำเนิดขึ้นมา เครื่องจักรตัวเดียวกันนี้ยังทำงานอยู่โดยไม่มีการดัดแปลงในทุกโดเมนของสิ่งมีชีวิตทุกวันนี้ และยังจำแนกได้ในเชิงโครงสร้างลึกลงไปถึงแกนที่เก่าแก่ที่สุดของมัน เครื่องจักรที่จำเพาะเจาะจง เก่าแก่ และแม่นยำขนาดนี้ หากถูกประดิษฐ์ขึ้นอย่างเป็นอิสระถึงสองครั้ง ก็คงเป็นเรื่องบังเอิญที่ไม่มีใครศึกษาเรื่องนี้เคยจำเป็นต้องอ้างถึงเลย ไรโบโซมจึงเป็นข้อโต้แย้งสำหรับบรรพบุรุษร่วมเพียงหนึ่งเดียวที่หนักแน่นยิ่งกว่าตารางโคดอนที่แข็งตัวเพียงอย่างเดียวเสียอีก
เมื่อราวสี่พันล้านปีก่อน บวกลบตามขอบเขตปกติ ชิ้นส่วนสำคัญอยู่ครบแล้ว เยื่อหุ้มที่แยกตัวตนออกจากโลกภายนอก รหัสที่แข็งตัวไว้ใช้เขียนโปรตีน เครื่องจักรที่เก่าแก่พอจะจดจำการอ่านรหัสแรกสุดนั้นได้ สิ่งที่ยังไม่มีคือขนาด ต้องมีอะไรสักอย่างทำให้พลังงานมีมากพอจะสร้างเซลล์ที่ใหญ่กว่าเดิมมากจากชิ้นส่วนเก่าแก่ชุดเดียวกันนี้ สิ่งนั้นมาถึงในลำดับถัดไป เมื่อเซลล์หนึ่งทำสิ่งที่แปลกประหลาดยิ่งกว่าการคิดค้นโมเลกุลใหม่ใด ๆ มันกลืนกินเซลล์อีกเซลล์หนึ่งเข้าไปทั้งตัว แล้วเก็บมันไว้
พลิกกลับได้หาก: พบไรโบโซมในสายพันธุ์ใดก็ตามที่มีศูนย์เปปติดิลทรานสเฟอเรสสร้างขึ้นจากโปรตีนแทนที่จะเป็นอาร์เอ็นเอ ผลเช่นนั้นจะทำลายข้อกล่าวอ้างที่ว่าการเร่งปฏิกิริยาสร้างพันธะเปปไทด์เป็นร่องรอยสากลที่สืบทอดมาจากโลกอาร์เอ็นเอ
แหล่งข้อมูล
- 2016 · Black, R.A. & Blosser, M.C., "A Self-Assembled Aggregate Composed of a Fatty Acid Membrane and the Building Blocks of Biological Polymers Provides a First Step in the Emergence of Protocells" — Life 6:33
- 2021 · Villanueva, L. et al., "Bridging the membrane lipid divide: bacteria of the FCB group superphylum have the potential to synthesize archaeal ether lipids" — The ISME Journal 15:168–182
- 2000 · Nissen, P., Hansen, J., Ban, N., Moore, P.B., Steitz, T.A., "The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis" — Science 289:920–930, PMID 10937990
- 2009 · Bokov, K. & Steinberg, S.V., "A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA" — Nature 457:977–980
- 2015 · Petrov, A.S. et al., "History of the Ribosome and the Origin of Translation" — PNAS 112:15396–15401, PMID 26621738
- 2020 · Rubio Gomez, M.A. & Ibba, M., "Aminoacyl-tRNA synthetases" — RNA 26:910–936, PMC7373986