- Część pierwsza: Jak zrobić komórkę -
- Część druga: Rozłam w szeregach naukowców -
- Część czwarta: energia protonów -
- Część piąta: jak więc stworzyć komórkę? -
- Część szósta: Wielkie zjednoczenie -
Tak więc po latach sześćdziesiątych naukowcy próbujący zrozumieć pochodzenie życia podzielili się na trzy grupy. Niektórzy z nich byli przekonani, że życie zaczęło się od powstania prymitywnych wersji komórek biologicznych. Inni uważali, że system metaboliczny był kluczowym pierwszym krokiem, podczas gdy inni skupiali się na znaczeniu genetyki i replikacji. Ta ostatnia grupa zaczęła zastanawiać się, jak mógłby wyglądać pierwszy replikator, zakładając, że został wykonany z RNA.
Już w latach sześćdziesiątych naukowcy mieli powody, by sądzić, że RNA jest źródłem wszelkiego życia.
W szczególności RNA może zrobić coś, czego DNA nie może. Jest to cząsteczka jednoniciowa, więc w przeciwieństwie do sztywnego, dwuniciowego DNA może składać się w wiele różnych kształtów.
Podobnie jak origami, zwijające się RNA było ogólnie podobne w zachowaniu do białek. Białka to również przeważnie długie łańcuchy - tylko aminokwasów, a nie nukleotydów - co pozwala im tworzyć złożone struktury.
To jest klucz do niesamowitych zdolności białek. Niektóre z nich mogą przyspieszać lub „katalizować” reakcje chemiczne. Takie białka są znane jako enzymy.
W jelitach można znaleźć wiele enzymów, które rozkładają złożone cząsteczki z pożywienia na proste rodzaje cukrów, których mogą używać komórki. Nie można żyć bez enzymów.
Leslie Orgel i Frances Crick zaczęli coś podejrzewać. Jeśli RNA może zwijać się jak białko, może może tworzyć enzymy? Gdyby to była prawda, to RNA mogłoby być oryginalną - i uniwersalną - żywą cząsteczką, przechowującą informacje, tak jak robi to teraz DNA, i katalizującą reakcje, jak robią to niektóre białka.
To był świetny pomysł, ale od dziesięciu lat nie ma na to żadnego dowodu.
Film promocyjny:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech urodził się i wychował w Iowa. Jako dziecko fascynowały go skały i minerały. Już w gimnazjum spojrzał na lokalny uniwersytet i zapukał do drzwi geologów z prośbą o pokazanie modeli struktur mineralnych.
Jednak ostatecznie został biochemikiem i skupił się na RNA.
We wczesnych latach 80-tych Cech i współpracownicy z University of Colorado w Boulder badali organizm jednokomórkowy Tetrahymena thermophila. Część jego mechanizmu komórkowego obejmuje nici RNA. Cech odkrył, że pojedynczy segment RNA był w jakiś sposób oddzielony od reszty, jakby został wycięty nożyczkami.
Kiedy naukowcy usunęli wszystkie enzymy i inne cząsteczki, które mogłyby działać jak nożyczki molekularne, RNA nadal było wydzielane. Więc znaleźli pierwszy enzym RNA: krótki kawałek RNA, który może wyciąć się z długiej nici, której jest częścią.
Cech opublikował wyniki swojej pracy w 1982 roku. W następnym roku inna grupa naukowców odkryła drugi enzym RNA, „rybozym” (skrót od „kwasu rybonukleinowego” i „enzymu”, inaczej enzymu). Odkrycie dwóch enzymów RNA jeden po drugim wskazało, że musi być ich znacznie więcej. I tak pomysł rozpoczęcia życia z RNA zaczął wyglądać solidnie.
Jednak nazwę tego pomysłu nadał Walter Gilbert z Uniwersytetu Harvarda w Cambridge w stanie Massachusetts. Jako fizyk zafascynowany biologią molekularną Gilbert stał się również jednym z pierwszych zwolenników sekwencjonowania ludzkiego genomu.
W 1986 roku Gilbert napisał w Nature, że życie zaczęło się w „świecie RNA”.
Jak argumentował Gilbert, pierwszy etap ewolucji składał się z „cząsteczek RNA wykonujących aktywność katalityczną niezbędną do zebrania się w bulion nukleotydów”. Kopiując i wklejając razem różne bity RNA, cząsteczki RNA mogą tworzyć jeszcze bardziej przydatne sekwencje. Wreszcie znaleźli sposób na stworzenie białek i enzymów białkowych, które okazały się tak przydatne, że w dużej mierze wyparły wersje RNA i dały początek życiu, które mamy.
RNA World to elegancki sposób na odbudowanie złożonego życia od podstaw. Zamiast polegać na równoczesnym tworzeniu dziesiątek cząsteczek biologicznych z pierwotnej zupy, cząsteczka „jedna dla wszystkich” mogłaby spełnić swoje zadanie.
W 2000 r. Hipoteza dotycząca świata RNA otrzymała olbrzymią ilość dowodów potwierdzających.
Rybosom wytwarza białka
Thomas Steitz spędził 30 lat na badaniu struktury cząsteczek w żywych komórkach. W latach 90-tych poświęcił się swojemu najpoważniejszemu zadaniu: ustaleniu struktury rybosomu.
W każdej żywej komórce znajduje się rybosom. Ta ogromna cząsteczka odczytuje instrukcje w RNA i układa aminokwasy w celu utworzenia białek. Rybosomy w twoich komórkach zbudowały większość twojego ciała.
Wiadomo było, że rybosom zawiera RNA. Jednak w 2000 roku zespół Steitz stworzył szczegółowy obraz struktury rybosomu, który wykazał, że RNA jest katalitycznym rdzeniem rybosomu.
Było to ważne, ponieważ rybosom jest fundamentalnie ważny dla życia i jednocześnie bardzo stary. Fakt, że ta niezbędna maszyna została zbudowana na RNA, uczynił hipotezę świata RNA jeszcze bardziej wiarygodną.
Zwolennicy "świata RNA" triumfowali, aw 2009 roku Steitz otrzymał część Nagrody Nobla. Ale od tego czasu naukowcy zaczęli wątpić. Od samego początku idea „świata RNA” miała dwa problemy. Czy RNA naprawdę może samodzielnie pełnić wszystkie funkcje życiowe? Czy mógł powstać na wczesnej Ziemi?
Minęło 30 lat, odkąd Gilbert położył podwaliny pod „świat RNA”, a wciąż nie znaleźliśmy solidnych dowodów na to, że RNA może zrobić wszystko, czego wymaga od niego teoria. To mała, zręczna cząsteczka, ale może nie być w stanie zrobić wszystkiego.
Jedno było jasne. Jeśli życie zaczęło się od cząsteczki RNA, RNA musiał być zdolny do tworzenia kopii samego siebie: musiał być samoreplikujący, samoreplikujący.
Ale żaden ze znanych RNA nie może się replikować. Tak samo jest z DNA. Potrzebują batalionu enzymów i innych cząsteczek, aby stworzyć kopię lub fragment RNA lub DNA.
Dlatego pod koniec lat 80. kilku naukowców rozpoczęło bardzo donkiszotyczne poszukiwania. Postanowili samodzielnie stworzyć samoreplikujący się RNA.
Jack Shostak
Jack Shostak z Harvard School of Medicine był jednym z pierwszych, którzy wzięli udział. Jako dziecko był tak zafascynowany chemią, że założył laboratorium w piwnicy swojego domu. Zaniedbując własne bezpieczeństwo, raz nawet wywołał eksplozję, po której szklana rurka utknęła w suficie.
We wczesnych latach osiemdziesiątych Shostak pomógł pokazać, jak geny chronią się przed procesem starzenia. To dość wczesne badanie przyniosło mu ostatecznie część Nagrody Nobla. Jednak bardzo szybko podziwiał enzymy RNA Cecha. „Myślałem, że ta praca była niesamowita” - mówi. „W zasadzie jest całkowicie możliwe, że RNA katalizuje swoją własną reprodukcję”.
W 1988 Cech odkrył enzym RNA, który może zbudować krótką cząsteczkę RNA o długości 10 nukleotydów. Shostak postanowił ulepszyć odkrycie, wytwarzając nowe enzymy RNA w laboratorium. Jego zespół stworzył zestaw losowych sekwencji i przetestował, czy któraś z nich ma zdolności katalityczne. Następnie wzięli te sekwencje, przerobili je i ponownie przetestowali.
Po 10 rundach takich działań Shostak wyprodukował enzym RNA, który przyspieszył reakcję siedem milionów razy. Pokazał, że enzymy RNA mogą być naprawdę potężne. Ale ich enzym nie mógł się kopiować, nawet nieznacznie. Shostak był w ślepym zaułku.
Może życie nie zaczęło się od RNA
Kolejny duży krok wykonał w 2001 roku były student Shostak David Bartel z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge. Bartel stworzył enzym RNA R18, który mógłby dodawać nowe nukleotydy do nici RNA w oparciu o istniejącą matrycę. Innymi słowy, nie dodawał przypadkowych nukleotydów: poprawnie kopiował sekwencję.
Chociaż nie był to jeszcze samoreplikator, ale już coś podobnego. R18 składał się z łańcucha 189 nukleotydów i mógł niezawodnie dodać 11 nukleotydów do łańcucha: 6% własnej długości. Mieli nadzieję, że kilka poprawek pozwoli mu zbudować łańcuch zawierający 189 nukleotydów - tak jak on sam.
Najlepsze, co zrobił Philip Holliger w 2011 roku z Laboratorium Biologii Molekularnej w Cambridge. Jego zespół stworzył zmodyfikowany R18 o nazwie tC19Z, który kopiował sekwencje o długości do 95 nukleotydów. To 48% jego własnej długości: więcej niż R18, ale daleko od 100%.
Alternatywne podejście zaproponowali Gerald Joyce i Tracy Lincoln z Scripps Institute w La Jolla w Kalifornii. W 2009 roku stworzyli enzym RNA, który replikuje się pośrednio. Ich enzym łączy dwa krótkie fragmenty RNA, aby stworzyć drugi enzym. Następnie łączy pozostałe dwa fragmenty RNA, aby odtworzyć oryginalny enzym.
Biorąc pod uwagę dostępność surowców, ten prosty cykl może być kontynuowany w nieskończoność. Ale enzymy działały tylko wtedy, gdy podano im prawidłowe nici RNA, co musieli zrobić Joyce i Lincoln.
Dla wielu naukowców, którzy są sceptyczni co do „świata RNA”, brak samoreplikującego się RNA jest fatalnym problemem związanym z tą hipotezą. Najwyraźniej RNA po prostu nie może przyjąć i rozpocząć życia.
Problem został również spotęgowany przez niezdolność chemików do tworzenia RNA od podstaw. Wydawałoby się to prostą cząsteczką w porównaniu z DNA, ale jest niezwykle trudne do wykonania.
Problem leży w cukrze i zasadzie, które tworzą każdy nukleotyd. Możesz zrobić każdą z nich osobno, ale uparcie odmawiają zaangażowania. Na początku lat dziewięćdziesiątych problem ten stał się widoczny. Wielu biologów podejrzewało, że hipoteza „świata RNA”, pomimo całej swojej atrakcyjności, może nie być do końca poprawna.
Zamiast tego na wczesnej Ziemi mógł istnieć jakiś inny rodzaj cząsteczki: coś prostszego niż RNA, który mógł faktycznie wychwycić się z pierwotnej zupy i zacząć się replikować. Najpierw może być ta cząsteczka, która następnie doprowadziła do RNA, DNA i tak dalej.
DNA z trudem mogło powstać na wczesnej Ziemi
W 1991 roku Peter Nielsen z Uniwersytetu w Kopenhadze w Danii przedstawił kandydata na replikatory pierwotne.
Zasadniczo była to mocno zmodyfikowana wersja DNA. Nielsen zachował te same zasady - A, T, C i G - znalezione w DNA - ale zbudował szkielet z cząsteczek zwanych poliamidami, a nie z cukrów, które również znajdują się w DNA. Nazwał nową cząsteczkę poliamidowego kwasu nukleinowego, czyli PNA. W niezrozumiały sposób od tego czasu stał się znany jako peptydowy kwas nukleinowy.
W naturze nigdy nie znaleziono PNA. Ale zachowuje się prawie jak DNA. Nić PNA może nawet zająć miejsce jednej z nici cząsteczki DNA, a zasady są jak zwykle sparowane. Co więcej, PNA może przekształcić się w podwójną helisę, jak DNA.
Stanley Miller był zaintrygowany. Głęboko sceptyczny wobec świata RNA, podejrzewał, że PNA jest znacznie bardziej prawdopodobnym kandydatem na pierwszy materiał genetyczny.
W 2000 roku przedstawił solidne dowody. W tym czasie miał już 70 lat i przeszedł kilka udarów, które mogły wysłać go do domu opieki, ale nie poddał się. Powtórzył swój klasyczny eksperyment, który omówiliśmy w pierwszym rozdziale, tym razem z użyciem metanu, azotu, amoniaku i wody - i uzyskał PNA na bazie poliamidu.
Sugerowało to, że PNA, w przeciwieństwie do RNA, mogło równie dobrze powstać na wczesnej Ziemi.
Cząsteczka kwasu nukleinowego treozy
Inni chemicy wymyślili własne alternatywne kwasy nukleinowe.
W 2000 roku Albert Eschenmoser stworzył kwas nukleinowy treozy (TNK). To to samo DNA, ale z innym cukrem u podstawy. Łańcuchy TNC mogą tworzyć podwójną helisę, a informacje są kopiowane w obu kierunkach między RNA i TNK.
Ponadto TNC mogą składać się w złożone kształty, a nawet wiązać się z białkami. To wskazuje, że TNK może działać jako enzym, podobnie jak RNA.
W 2005 roku Eric Megges stworzył glikolowy kwas nukleinowy, który może tworzyć struktury helikalne.
Każdy z tych alternatywnych kwasów nukleinowych ma swoich zwolenników. Ale w przyrodzie nie można znaleźć ich śladów, więc jeśli pierwsze życie naprawdę je wykorzystało, w pewnym momencie musiało całkowicie je porzucić na rzecz RNA i DNA. Może to prawda, ale nie ma na to dowodów.
W rezultacie do połowy 2000 roku zwolennicy świata RNA znaleźli się w dylemacie.
Z jednej strony enzymy RNA istniały i obejmowały jeden z najważniejszych elementów inżynierii biologicznej, rybosom. Dobry.
Ale nie znaleziono samoreplikującego się RNA i nikt nie mógł zrozumieć, w jaki sposób powstaje RNA w pierwotnej zupie. Alternatywne kwasy nukleinowe mogą rozwiązać ten drugi problem, ale nie ma dowodów na to, że istniały w przyrodzie. Niezbyt dobrze.
Oczywistym wnioskiem było to, że „świat RNA”, mimo swojej atrakcyjności, okazał się mitem.
Tymczasem od lat osiemdziesiątych XX wieku stopniowo nabrała rozpędu inna teoria. Jego zwolennicy argumentują, że życie nie zaczęło się od RNA, DNA ani innego materiału genetycznego. Zamiast tego zaczęło się od mechanizmu ujarzmiania energii.
Życie potrzebuje energii, aby żyć
ILYA KHEL
- Część pierwsza: Jak zrobić komórkę -
- Część druga: Rozłam w szeregach naukowców -
- Część czwarta: energia protonów -
- Część piąta: jak więc stworzyć komórkę? -
- Część szósta: Wielkie zjednoczenie -
