كيف بدأت الحياة؟ كيف خلقت التفاعلات الكيميائية على الأرض المبكرة هياكل معقدة ذاتية التكاثر تطورت إلى كائنات حية كما نعرفها؟
وفقا لإحدى المدارس الفكرية، قبل العصر الحالي للحياة القائمة على الحمض النووي، كان هناك نوع من الجزيء يسمى الحمض النووي الريبي (RNA) (أو الحمض النووي الريبي). يمكن للحمض النووي الريبي (RNA) – الذي لا يزال عنصرًا حاسمًا في الحياة اليوم – أن يكرر نفسه ويحفز التفاعلات الكيميائية الأخرى.
لكن جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) نفسها مصنوعة من مكونات أصغر تسمى الريبونوكليوتيدات. كيف تكونت هذه الوحدات البنائية في بداية الأرض ثم اتحدت لتشكل الحمض النووي الريبوزي (RNA)؟
يحاول الكيميائيون إعادة إنشاء سلسلة التفاعلات المطلوبة لتكوين الحمض النووي الريبي (RNA) في فجر الحياة، لكنها مهمة صعبة. نحن نعلم أن أي تفاعل كيميائي ينتج عنه ريبونوكليوتيدات لا بد أنه كان قادرًا على الحدوث في البيئة الفوضوية والمعقدة الموجودة على كوكبنا منذ مليارات السنين. وقد تمت الأبحاث ما إذا كانت التفاعلات “التحفيزية الذاتية” قد لعبت دورًا.
هذه هي التفاعلات التي تنتج مواد كيميائية تشجع على حدوث نفس التفاعل مرة أخرى، مما يعني أنها يمكن أن تحافظ على نفسها في مجموعة واسعة من الظروف. قام العلماء بدمج التحفيز الذاتي في مسار كيميائي معروف لإنتاج وحدات بناء الريبونوكليوتيد، وهو ما كان من الممكن أن يحدث مع الجزيئات البسيطة والظروف المعقدة الموجودة على الأرض المبكرة.
رد الفعل النموذجي
تلعب تفاعلات التحفيز الذاتي أدوارًا حاسمة في علم الأحياء، بدءًا من تنظيم نبضات القلب وحتى تشكيل أنماط على الأصداف البحرية. في الواقع، فإن تكرار الحياة نفسها، حيث تأخذ خلية واحدة العناصر الغذائية والطاقة من البيئة لإنتاج خليتين، هو مثال معقد بشكل خاص على التحفيز الذاتي.
يعد التفاعل الكيميائي الذي يسمى تفاعل الفورموس، الذي تم اكتشافه لأول مرة في عام 1861، أحد أفضل الأمثلة على تفاعل التحفيز الذاتي الذي يمكن أن يحدث على الأرض المبكرة.
في جوهر الأمر، يبدأ تفاعل الفورموس بجزيء واحد من مركب بسيط يسمى جلايكولالدهيد (مكون من الهيدروجين والكربون والأكسجين) وينتهي بجزئين. تعتمد الآلية على إمداد ثابت بمركب بسيط آخر يسمى الفورمالديهايد. يؤدي التفاعل بين الجليكولالدهيد والفورمالدهيد إلى تكوين جزيء أكبر، مما يؤدي إلى تقسيم الأجزاء التي تتغذى مرة أخرى على التفاعل وتبقيه مستمرًا.
ومع ذلك، بمجرد نفاد الفورمالديهايد، يتوقف التفاعل، وتبدأ المنتجات في التحلل من جزيئات السكر المعقدة إلى القطران. يتشارك تفاعل الفورموس في بعض المكونات المشتركة مع مسار كيميائي معروف لتكوين الريبونوكليوتيدات، المعروف باسم مسار باونر-ساذرلاند. ومع ذلك، حتى الآن لم يحاول أحد الربط بين الاثنين – لسبب وجيه. يشتهر رد الفعل النموذجي بكونه “غير انتقائي”. وهذا يعني أنها تنتج الكثير من الجزيئات عديمة الفائدة إلى جانب المنتجات الفعلية التي تريدها.
تطور تحفيزي ذاتي في المسار إلى النيوكليوتيدات في دراستنا
حاول العلماء إضافة جزيء بسيط آخر يسمى السياناميد إلى تفاعل الفورموس. وهذا يجعل من الممكن لبعض الجزيئات التي يتم تصنيعها أثناء التفاعل أن يتم “سحبها” لإنتاج النيوكليوتيدات.
لا يزال التفاعل لا ينتج كمية كبيرة من وحدات بناء الريبونوكليوتيد. ومع ذلك، فإن المنتجات التي تنتجها تكون أكثر استقرارًا وأقل عرضة للتحلل. الأمر المثير للاهتمام في بالنسبة للباحثين هو تكامل تفاعل الفورموس وإنتاج الريبونوكليوتيد. وقد قامت الأبحاث السابقة بدراسة كل منها على حدة، وهو ما يعكس الطريقة التي يفكر بها الكيميائيون عادة في صنع الجزيئات. بشكل عام، يميل الكيميائيون إلى تجنب التعقيد من أجل زيادة كمية ونقاء المنتج إلى أقصى حد.
ومع ذلك، فإن هذا النهج الاختزالي يمكن أن يمنع دراسة التفاعلات الديناميكية بين المسارات الكيميائية المختلفة. يمكن القول إن هذه التفاعلات، التي تحدث في كل مكان في العالم الحقيقي خارج المختبر، هي الجسر بين الكيمياء وعلم الأحياء.
تطبيقات صناعية للتحفيز الذاتي أيضًا تطبيقات صناعية.
عند إضافة السياناميد إلى تفاعل الفورموس، فإن أحد المنتجات الأخرى هو مركب يسمى 2-أمينوكسازول، والذي يستخدم في أبحاث الكيمياء وإنتاج العديد من الأدوية. غالبًا ما يستخدم الإنتاج التقليدي لـ 2-أمينوكسازول السياناميد والغليكولالدهيد، وهذا الأخير مكلف.
إذا كان من الممكن صنعه باستخدام تفاعل الفورموس، فلن تكون هناك حاجة إلا إلى كمية صغيرة من الجليكول ألدهيد لبدء التفاعل، مما يقلل التكاليف. يعمل العلماء في المختبرات حاليًا على تحسين هذا الإجراء على أمل أن نتمكن من معالجة تفاعل التحفيز الذاتي لجعل التفاعلات الكيميائية الشائعة أرخص وأكثر كفاءة، وجعل منتجاتها الصيدلانية أكثر سهولة في الوصول إليها. ربما لن يكون الأمر كبيرًا مثل خلق الحياة نفسها، لكننا نعتقد أنه لا يزال من الممكن أن يكون جديرًا بالاهتمام.
مترجم من الانجليزية -كووك فونج تران، مرشح دكتوراه في كيمياء البريبايوتيك، جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني
