Teploty okolo 100 °C, bouřlivá geologická aktivita, sopky, blesky, dopady masivních asteroidů a meteoritů, silné ultrafialové záření – vskutku nespoutaně se jevila zemská atmosféra před čtyřmi miliardami let. Snad právě pro nevlídné podmínky kladli vědci původ života mimo Zemi, když prostřednictvím hypotézy panspermie předpokládali, že život na naši planetu „zanesly“ z vesmíru mikroorganismy na spadlém meteoritu. Současná věda však tomuto tvrzení oponuje a usuzuje, že život vznikl na Zemi – nezodpovězenou otázkou zůstává, jak se tomu stalo.

Tématu, jak se na Zemi před 3,8–4 miliardami let vyvinul život, se již více než 10 let věnují Judit a Jiří Šponerovi z Biofyzikálního ústavu AV ČR (BFÚ) a Středoevropského technologického institutu (CEITEC), kteří prostřednictvím chemických modelů rekonstruují procesy, jimiž z molekul běžných v tehdejší atmosféře mohly vzniknout první molekuly RNA, které umožnily počátek života. Konkurenční scénáře představili v listopadu 2016 v časopisech Nature Chemistry a WIRES RNA.

V atraktivní vědecké oblasti v současnosti soutěží dvě koncepce, přičemž obě předpokládají, že pro vznik života byla klíčová samovolná syntéza prvních molekul RNA (ribonukleové kyseliny) – ta je schopná se kopírovat a vylepšovat a je předchůdkyní DNA (deoxyribonukleové kyseliny), jež nese genetickou informaci moderních organismů. Zatímco zastánci starší teorie soudí, že první molekuly RNA vznikly sérií chemických procesů z molekuly kyanovodíku, druhá teorie klade původ RNA do formamidu (česky amidu kyseliny mravenčí). „Naše postavení je unikátní, protože pracujeme na obou scénářích. Zastánci obou teorií jsou jinak bohužel, jak se říká, na nože,” vysvětluje Jiří Šponer, vedoucí laboratoře struktury a dynamiky nukleových kyselin BFÚ a CEITEC.

Sopečné bohatství – minerály síry

Brněnské pracoviště je světovým lídrem v teoretických výpočtech a se zastánci obou teorií spolupracuje v Česku, Itálii, Anglii či USA. Právě článek v Nature Chemistry zaplňuje mezery v dosavadních znalostech možností syntézy prvních stavebních kamenů RNA v rámci kyanovodíkové cesty. Jeden z jeho dvou hlavních autorů, RafałSzabla, doktorand manželů Šponerových, zdůrazňuje klíčovou roli ultrafialového záření a fotochemických procesů pro tento nově objevený krok.

Současně s prací v Nature Chemistry uveřejnili Judit a Jiří Šponerovi studii v časopise WIRES RNA, jež se zaměřuje na formamidovou cestu vzniku života – teorie předpokládá, že tvorba stavebních kamenů (cyklických nukleotidů) pro syntézu RNA nastala v jezírkách kapalného formamidu nad teplotou bodu varu vody kolem obřích sopek. Jezírka vznikla pravděpodobně v důsledku vysoké teploty spojené s enormní vulkanickou činností. Následnou syntézu prvních molekul RNA mohlo vyvolat rychlé porušení chemické rovnováhy v důsledku prudkého ochlazení – například při pohybu materiálu po svahu sopek, kolísáním vulkanické a atmosférické aktivity a střídáním dne a noci.

Sopky a fumaroly – jesle pozemského života

Čeští vědci přicházejí ve spolupráci s italskými kolegy s tvrzením, že samovolná syntéza krátkých řetězců RNA s bází guanin sloužila jako iniciační chemický proces pro syntézu všech dalších molekul RNA. „Jedním z rozdílů mezi formamidovou a kyanovodíkovou koncepcí vzniku života je právě míra termodynamické nerovnováhy chemických procesů. Čistý kyanovodík totiž na rozdíl od formamidu nelze akumulovat, protože je příliš reaktivní. Kyanovodíková cesta tudíž musela začít v prostředí s nižší teplotou než je bod varu vody,” vyzdvihuje Judit Šponerová.

Nezodpovězených otázek po původu života však zbývá stále dost a jednou z největších badatelských výzev je zjistit, jak začaly spoluúčinkovat RNA a aminokyseliny, tzv. stavební jednotky bílkovin. Více se dozvíte v připravovaném rozhovoru s Jiřím Šponerem.

Prof. Jiří Šponer patří mezi nejcitovanější české vědce a zabývá se strukturní dynamikou, funkcí a evolucí molekul nukleových kyselin pomocí nejmodernějších počítačových a teoretických metod. Interdisciplinární tematické rozkročení mu umožňuje právě počítačová chemie, na jejímž vývoji v oblasti studia nukleových kyselin se výrazně podílel. V roce 2014 mu Akademie věd ČR udělila prestižní cenu Praemium Academiae.

Dr. Judit Šponerová vede v laboratoři výzkum původu života. Výzkum laboratoře je základní a interdisciplinární, pohybuje se na pomezí fyzikální chemie, biochemie a molekulární biologie. Hlavním pracovištěm manželů Šponerových je Biofyzikální ústav AV ČR, dále působí ve Středoevropském technologickém institutu (CEITEC) a v Regionálním centru pokročilých materiálů a technologií Univerzity Palackého v Olomouci. Výzkum dlouhodobě financuje rovněž Grantová agentura ČR.

Připravil: Luděk Svoboda, Odbor akademických médií SSČ AV ČR
Fota: Archiv BFÚ AV ČR