รายงานผลการวิจัยด้วยการทดลองของทีมวิจัยด้านชีววิทยา นำโดย ศ.แจ็ค โซสแตค ศาสตราจารย์วิชาเคมีและชีวเคมี ประจำมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด สหรัฐอเมริกา ซึ่งเคยได้รับรางวัลโนเบลเมื่อปี 2009 เผยแพร่ผลงานการทดลองที่เป็นการค้นพบที่เชื่อว่าเป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการพัฒนาสิ่งมีชีวิตทั้งหลาย จากการประสบความสำเร็จในการทำให้ อาร์เอ็นเอปฐมภูมิ ทำสำเนาตัวเองได้อย่างรวดเร็วและปลอดข้อผิดพลาด
ความสำเร็จดังกล่าวเผยแพร่วารสารวิชาการโพรซีดดิง ของ สถาบันวิชาการด้านวิทยาศาสตร์แห่งชาติ สหรัฐ ฉบับส่งท้ายปี 2018 ที่ผ่านมา
การทดลองดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามในการค้นหาคำตอบว่า โมเลกุลที่ปราศจากชีวิตเมื่อหลายพันล้านปีก่อน ก่อให้เกิดกระบวนการวิวัฒนาการกลายเป็นสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร
แนวความคิดเรื่องกระบวนการเริ่มต้นของชีวิตนั้น แยกความเชื่อออกเป็น 2 ทาง นักวิทยาศาสตร์ส่วนหนึ่ง เชื่อว่าชีวิตกำเนิดขึ้นมาจากกระบวนการที่มีจุดเริ่มต้นด้วยการเรียงร้อยโมเลกุลที่เหมาะสมเข้าด้วยกันเป็นห่วงโซ่หนึ่ง ในขณะที่อีกส่วนหนึ่ง เชื่อว่าจุดเริ่มต้นแรกสุดของชีวิต เกิดจากการที่ “อาร์เอ็นเอ” สามารถ “แบ่งตัว” หรือ “ทำสำเนาตัวเองซ้ำ” ขึ้นมาได้ ทำให้อาร์เอ็นเอปฐมภูมิที่เป็นอาร์เอ็นเอสายสั้นสามารถยืดยาวขึ้นได้ เป็นจุดเริ่มวิวัฒนาการไปสู่สิ่งมีชีวิตในที่สุด
“อาร์เอ็นเอ” คือสารเคมีที่เป็นกรดชนิดหนึ่งเรียกเต็มๆ ว่า “ไรโบนิวคลีอิค แอซิด” ถือเป็น 1 ใน 4 สารชีวโมเลกุลหลักที่ประกอบขึ้นเป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทั้งมวล (ร่วมกับ ไลพิด, คาร์โบไฮเดรต และโปรตีน)
องค์ประกอบทางเคมีของอาร์เอ็นเอ แทบจะเหมือนกับดีเอ็นเอ ข้อแตกต่างระหว่างสารเคมีทั้ง 2 ชนิดมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น กล่าวคือในขณะที่อาร์เอ็นเอมีน้ำตาลไรโบส ดีเอ็นเอกลับมีออกซีไรโบส ซึ่งเป็นน้ำตาลไรโบสที่ขาดออกซิเจนอยู่หนึ่งอะตอม และในอาร์เอ็นเอมีนิวคลีอิคเบส “ยูราซิล” (สัญลักษณ์ตัวยูในภาษาอังกฤษ) ซึ่งดีเอ็นเอไม่มี และในดีเอ็นเอมีไทมีน ซึ่งไม่มีในอาร์เอ็นเอเช่นกัน
ที่สำคัญก็คือ อาร์เอ็นเอเป็นโมเลกุลเกลียวเดี่ยว ในขณะที่ดีเอ็นเอเป็นเกลียวคู่ และดีเอ็นเอมีหน่วยพันธุกรรม (ยีน) บรรจุอยู่ ในขณะที่อาร์เอ็นเอเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ กับควบคุมการแสดงออกของยีน
การค้นพบในงานวิจัยใหม่ชิ้นนี้กลายเป็นหลักฐานสนับสนุนแนวคิดเรื่องอาร์เอ็นเอเป็นจุดเริ่มต้นการกำเนิดชีวิตนั่นเอง
ในอาร์เอ็นเอที่พบกันในปัจจุบัน มีน้ำตาลและฟอสเฟตเป็นแกนหลัก นอกเหนือจากนั้นมีองค์ประกอบสำคัญหลักอีก 4 ตัวที่เรียกกันว่า “นิวคลีโอเบส” ซึ่งประกอบด้วย อะดินีน (เอ), ไซโตซีน (ซี), กัวนีน (จี) และยูราซิล (ยู)
ในการทดลองเพื่อการวิจัยครั้งนี้ ทีมวิจัยใช้หลอดพลาสติกขนาดเล็ก ใส่น้ำ เติมเกลืออีกเล็กน้อยเพื่อรักษาค่าความเป็นกรดด่าง (พีเอช) กับแม็กนีเซียมไอออนให้คงที่เพื่อเร่งปฏิกิริยาทางเคมี สภาพของน้ำในหลอดทดลองนั้นเหมือนกับน้ำจืดที่พบกันในสระ หรือในปากปล่องภูเขาไฟและแอ่งน้ำทั่วไปที่พบในพื้นที่ภูเขาไฟ ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นแหล่งเริ่มต้นของชีวิต
หลังจากนั้น ทีมวิจัยนำเอาอาร์เอ็นเอชิ้นเล็กๆ ที่ติดอยู่กับอาร์เอ็นเอสายยาวซึ่งเรียกกันว่า เทมเพลทเติมลงไป
อาร์เอ็นเอที่เติมลงไปนี้เป็นอาร์เอ็นเอสายสั้น เรียกว่า ไพรเมอร์ หรืออาร์เอ็นเอปฐมภูมิ ถูกกำหนดให้เป็นตัวสร้างอาร์เอ็นเอใหม่ขึ้นมาด้วยการทำสำเนา อาร์เอ็นเอที่เป็นเทมเพลท ผ่านการ “จับคู่” ของเบสแต่ละคู่ โดย ซี จะจับคู่กับ จี เท่านั้น เช่นเดียวกับที่ เอ ก็จะจับคู่แต่เฉพาะกับ ยู เท่านั้นเช่นกัน
อย่างไรก็ตาม เมื่อเพิ่มนิวคลีโอเบสเข้าไปอีก (เอ, ซี, จี และ ยู) เพื่อให้เกิดการจับคู่เพิ่มเติมและทำให้อาร์เอ็นเอปฐมภูมิ ที่สั่นอยู่ยืดยาวขึ้น กลับกลายเป็นว่าไม่ได้ผลอย่างที่คาดหมาย เพราะปฏิกิริยาทางเคมี คือการจับคู่เป็นพันธะกันนั้นเกิดขึ้นไม่เร็วพอที่จะทำให้อาร์เอ็นเอใหม่เกิดขึ้นได้ และการทำสำเนาซ้ำเกิดความผิดพลาดขึ้นด้วยเช่นกัน
ความสำเร็จเกิดขึ้นเมื่อทีมวิจัยเติมสารเคมี ที่เป็นชีวโมเลกุลในกลุ่มนิวคลีโอไซด์ ที่พบในธรรมชาติด้วยเช่นกันเรียกว่า “ไอโนซีน” เข้าไปแทนที่การใช้โมเลกุลกัวนีน (จี) หลังจากนั้นก็พบผลลัพธ์เหนือความคาดหมาย เพราะเกิดอาร์เอ็นเอใหม่ก่อรูปขึ้นและสามารถทำสำเนาตัวเองซ้ำได้ถูกต้องแม่นยำกว่าการเพิ่มกัวนีนเข้าไป
ก่อนหน้านี้เข้าใจกันว่า ไอโนซีนเป็นโมเลกุลชนิด “กระเพื่อม” คือ สามารถจับคู่กับคู่ฐานหรือเบสแพร์ได้หลายคู่ แทนที่จะจับคู่จำเพาะคู่หนึ่งคู่ใด ซึ่งทำให้ไม่น่าจะเป็นไปได้ที่จะเป็นปัจจัยสำคัญในการก่อตัวของอาร์เอ็นเอใหม่ เพราะไม่มีความชัดเจนว่า ไอโนซีนจะจับคู่กับนิวคลีโอเบสใด นั่นเอง แต่จากการทดลองครั้งนี้แสดงให้เห็นว่า ความคิดที่ว่า ไอโนซีน “กระเพื่อม” โดยธรรมชาติมาตั้งแต่แรกเริ่มนั้น ผิดมาตลอด เนื่องจากไอโนซีนสามารถเจาะจงจับคู่กับ ไซโตซีน (ซี) แทนที่ กัวนีน (จี) ได้อย่างเหมาะเจาะในบริบทยุคเริ่มแรกของการกำเนิดชีวิตเมื่อหลายพันล้านปีก่อน ไม่ได้มีลักษณะการกระเพื่อมแต่อย่างใด
ที่น่าสนใจก็คือ ไอโนซีนนั้นสามารถสกัดได้จากอะดินีน ซึ่งเป็นเบสแพร์ของอาร์เอ็นเออยู่ก่อนแล้ว ทำให้สามารถสร้างอาร์เอ็นเอใหม่ และก่อให้เกิดชีวิตได้ง่ายกว่า การใช้กัวนีน ซึ่งจำเป็นต้องหาใหม่ทั้งหมด
ศ.โซสแตคกำลังดำเนินการวิจัยต่อเนื่อง เพื่อดูว่าองค์ประกอบพื้นฐานของอาร์เอ็นเอปฐมภูมินั้น มีอะไรอื่นๆ ที่แตกต่างจากอาร์เอ็นเอที่พบในปัจจุบันอีกหรือไม่
และยังต้องหาคำตอบด้วยว่า อาร์เอ็นเอปฐมภูมินั้นทำสำเนาตัวเองได้อย่างไร ก่อนที่จะมีวิวัฒนาการของเอ็นไซม์ ซึ่งเป็นโปรตีนเร่งปฏิกิริยาเคมีชีวภาพนั่นเอง
