איך נוצר תהליך התרגום? שי

השאלה המקורית: האם קיימת  תיאוריה שמסבירה כיצד נוצר תהליך התרגום, איך נוצר מלכתחילה הקישור בין הקודונים לחומצות אמיניות ומה גרם למערכת התרגום והבנייה הזאת להיווצר? בכל ההסברים שקראתי עד כה קיימת התעלמות מהנקודה הזאת (מחליקים בפשטות את עניין התרגום כאילו הוא מובן מאליו), והקורא מקבל רושם  שיש כאן מערכת "תבונית" שהחליטה או הבינה שכך צריך לעשות. ועוד בהקשר הזה, האם מניחים שהקודונים (ובכלל מבנה הרנ"א/דנ"א) נוצרו לכתחילה להעביר את המידע, או שהמבנה הזה של הנוקלאוטידים נוצר באקראי ואחריו נוצרה באקראי מערכת שמתרגמת אותו לחומצות אמיניות? שי.

אנחנו יודעים הרבה על תהליך ייצור החלבונים, שמבצעים את רוב התהליכים בתאים חיים. התהליך, שנקרא תרגום, מתרחש בריבוזום – מכונה תאית העשויה מחלבון ומרנ"א. דרך הריבוזום עוברות מולקולות של רנ"א שליח (mRNA) המורכבות מנוקלאוטידים, ועל בסיסן הוא מייצר חלבונים. למעשה, אפילו פיצחנו את הקוד שבו מולקולות הרנ"א שליח כתובות: כל שלושה נוקלאוטידים מקודדים חומצת אמינו מסוימת, שאותה מוסיף הריבוזום לשרשרת חומצות האמינו שתהפוך לחלבון.

אך איך התפתח תהליך ייצור החלבונים בתאים? זו שאלה מעניינת וחשובה שמסקרנת רבים בעולם הביולוגיה המולקולרית.

תהליך התרגום

באיזה שלב באבולוציה נוצר הריבוזום?
הריבוזום קיים בכל תא חי, החל בחיידקים ופטריות וכלה בתאים בגופם של יונקים. הריבוזומים של יצורים שונים נבדלים זה מזה במורכבותם, אבל חלקי הליבה שלהם דומים מאוד. זוהי עדות לכך שהריבוזום התפתח כנראה מוקדם מאוד באבולוציה, אפילו לפני האב הקדמון המשותף לכל היצורים החיים – התא החי הראשון.

לכן שאלת היווצרות הריבוזום נוגעת בשאלה של היווצרות החיים עצמם, שהיא שאלה עמוקה ומעניינת אך גם קשה – שכן מדובר במאורעות שקרו ממש בתחילת ההיסטוריה האבולוציונית ואין עליהם עדויות רבות. מדענים עדיין דנים בשאלה ומנסים להכריע בין השערות מתחרות.

בעיית הביצה והתרנגולת
היווצרות הריבוזום מעלה בעיה דומה לבעיית הביצה והתרנגולת: איך נוצרה המכונה שמייצרת חלבונים אם היא מורכבת בעצמה מחלבונים? מאין הגיעו החלבונים שהרכיבו את הריבוזום הראשון?

חוקרים העלו את הסברה שהריבוזומים הראשונים הורכבו רק מאותם חלקים של הריבוזום שעשויים מרנ"א. ההשערה זכתה לתמיכה ממחקרים שהראו שחלקי הליבה של הריבוזום שאחראים על הפעילות שלו עשויים מרנ"א, ומחקרים נוספים שהראו שמולקולות רנ"א פשוטות יכולות לבצע את הריאקציות הנדרשות לייצור חלבונים.

הריבוזום. החלקים העשויים מחלבונים צבועים בסגול והחלקים העשויים מרנ"א צבועים בחום וצהוב | תרשים: RCSB Protein Data Bank

תיאוריית עולם הרנ"א
אולם מה מקורו של הרנ"א שהרכיב את הריבוזום הראשון? כדי להבין זאת כדאי להכיר את אחד ההסברים המעניינים על היווצרות החיים בכדור הארץ מחומרים דוממים – תיאוריית עולם הרנ"א.

אחד המאפיינים שמבדילים יצורים חיים מדוממים הוא היכולת שלהם להתרבות. בניגוד לשולחנות או לכוכבי לכת, חיידקים, פטריות ובני אדם יכולים לייצר עוד פרטים כמותם. היכולת להתרבות היא גם הבסיס ההכרחי לכל תהליך אבולוציוני: עותקים שונים של אותו יצור נוצרים, אך ההעתקה אינה מושלמת; העותקים המתאימים יותר לסביבה מצליחים להשתכפל מהר יותר וטוב יותר מחבריהם, וכך מתאפשרת עלייה הדרגתית ברמת המורכבות וההתאמה לסביבה.

לאור זה יש מדענים שסבורים שהשלב הראשון בדרך להיווצרות החיים היה היווצרותן של מולקולות בעלות יכולת להשתכפל, כלומר לייצר עוד מולקולות דומות. לפי תיאוריית עולם הרנ"א, המקובלת כיום בתחום, המשכפלות הראשונות הללו היו מולקולות רנ"א. הן נוצרו כנראה מחומרים שהיו קיימים באותה עת בכדור הארץ ויכלו לשכפל את עצמן מאותם חומרים. מולקולות הרנ"א שהרכיבו את הריבוזום הראשון היו אולי אותן מולקולות משכפלות ראשונות.

אבל עדיין נותרת שאלה: גם אם נקבל שמולקולות הרנ"א המשתכפלות הללו יכלו לייצר חלבונים, הסיכוי שייווצרו בדרך זו חלבונים בעלי תפקיד כמו אלה שאנו רואים כיום בתאים חיים הוא אפסי. אם חומצות אמינו ייקשרו זו לזו בסדר אקראי, סביר להניח שלא ייווצרו מהם חלבונים בעלי פעילות אנזימטית שיהיו בעלי יתרון אבולוציוני כלשהו. לכן קשה להסביר בדרך זו את היווצרותו של מכניזם התרגום על כל חלקיו. אם כן מה היה היתרון האבולוציוני של המכונות הראשונות לייצור חלבונים?

חלבונים – למה זה טוב?
חוקרים מציעים כמה אפשרויות. הסבר אחד הוא שחלבונים שנקשרו למולקולות רנ"א, גם אם לא היו פעילים בעצמם, סיפקו למולקולות הרנ"א יתרונות בשל התכונות הכימיות שלהם, כמו מטען חשמלי או הידרופוביות (נטייה לדחות מולקולות מים). אנזים רנ"א שחלבון כזה נקשר אליו היה יכול למלא את תפקידו טוב יותר ולכן זכה ליתרון אבולוציוני. אפשרות נוספת היא שהחלבונים הראשונים ייצבו את מולקולות הרנ"א ומנעו מהן להתפרק בטמפרטורות גבוהות.

חוקרים אחרים האירו את ההשפעה של מולקולות חלבוניות על מגוון המבנים האפשריים שמולקולת רנ"א יכולה להימצא בהן: שלא כמו חלבונים, שיכולים להתקפל בצורות תלת-ממדיות מגוונות, מולקולות הרנ"א מוגבלות הרבה יותר במגוון המבנים היציבים שהן יכולות להימצא בהם, בגלל התכונות הכימיות שלהן.

הצורה והגודל היחסי של מספר חלבונים. מימין לשמאל: גלוטמין סינסתאז, אדנילט קינאז, אינסולין, המוגלובין ואימונוגלובולין | תרשים: תומס ספלטסטוסר, ויקיפדיה

המבנה המרחבי של המולקולה קובע את התפקיד שהיא ממלאת. בדיוק כמו שמספריים, מזלג או מפצח אגוזים ממלאים תפקידים אחרים בהתאם לצורה שלהם, גם אנזימים שחותכים מולקולות, משנעים אותן או משמידים אותן צריכים צורות מתאימות. מולקולות רנ"א שנצמד אליהן חלבון יכולות לאמץ תצורות מבניות הרבה יותר מגוונות ולכן גם למלא יותר תפקידים. תימוכין לטענה הזו אפשר למצוא בכך שכיום רוב האנזימים העשויים רנ"א זקוקים לשיתוף פעולה עם עם חלבונים לצורך פעולתם.

מכיוון שמשכפלות רנ"א שיכלו גם לייצר חלבונים זכו ליתרון אבולוציוני, יכלו אולי להתפתח מבני רנ"א שהתמחו יותר ויותר בייצור חלבונים. הדרך משם לאנזימים שהיו מורכבים מחלבונים בלבד היתה סלולה.

ומה לגבי הקוד הגנטי?
השלב האחרון בתהליך התרגום היה כנראה התפתחותו של הקוד הגנטי – הכללים שלפיהם נוצרים חלבונים מרנ"א שליח. בתאים חיים, כל שלושה נוקלאוטידים (אבני הבניין של הרנ"א) מרכיבים קודון שמקודד חומצת אמינו מסוימת. הקישור נעשה על ידי רנ"א מוביל (tRNA), שנקשר לרנ"א שליח ונושא את חומצת האמינו המתאימה. הקוד מאפשר לתא ליצור חלבונים בעלי רצף קבוע וחזוי מראש, עם מבנה ותפקיד. איך נוצר מכניזם מורכב כזה?

לרנ"א מוביל  יש שני חלקים – החלק שמתחבר לרנ"א השליח והחלק שמתחבר לחומצת האמינו. החלק השני כנראה קדום יותר, מה שרומז שבמקור רק הוא היה קיים. החלבונים הראשונים נוצרו כנראה לא על בסיס קוד אלא פשוט מחיבור אקראי של חומצות אמינו זו לזו בעזרת רנ"א מובילים חלקיים כאלה. ההשערה היא שהחלק השני של הרנ"א המוביל, זה שמתחבר לרנ"א שליח, נוצר גם הוא במקור בלי קשר לקוד, פשוט כדי לייצב את הרנ"א המוביל בפעולתו ולאפשר חיבור טוב יותר של חומצות אמינו אקראיות זו לזו.

כנראה רק אחרי שנוצרו מולקולות רנ"א מוביל שכאלה, הקידוד היה יכול להתפתח. ברגע שקיים רנ"א מוביל שנושא חומצת אמינו מסוימת ונקשר טוב יותר לרצף נוקלאוטידים מסוים, אפשר "לקרוא" לו בעזרת רצף הנוקלאוטידים המתאים וכך לכוון מה תהיה חומצת האמינו הבאה בתור. לתהליך כזה, שמכוון את חיבורן של חומצות האמינו זו לזו ולא מסתפק בחיבור אקראי, היה יתרון אבולוציוני כיוון שהוא היה יכול ליצור חלבונים שהמבנה שלהם משרת תפקיד.

בומרנג – בחזרה אליך
אילו תיאוריות נוספות פרט ל"עולם הרנ"א" קיימות לגבי היווצרות החיים? איך הן יסבירו את היווצרות תהליך התרגום?

יעל כורם
המחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.