Powstanie życia, stwarzanie życia

11Paźdź09

1. Są takie problemy nauce, którymi interesuje się każdy, ale najmniej — naukowcy. Tak jest na przykład z powstaniem życia: temat jest wałkowany przez wszystkich, ale jest stosunkowo mało ewolucjonistów, którzy się nim zajmują. Dlaczego? Bo jest zbyt trudny, bo szansa na odkrycia zbyt mała, by poświęcić na to karierę naukową. Mało prawdopodobne, żeby kiedyś odkryto, jak życie naprawdę powstało. O ile nawet można odnaleźć bezpośrednie i pośrednie ślady jednokomórkowych organizmów, o tyle znalezienie śladów jakichkolwiek wcześniejszych form życia wydaje się mało prawdopodbne.

Po lewej: prawdopodobnie najstarsze znane skamieniałości -- stromatolity sprzed 3.45 miliardów lat (Allwood et al. 2009, PNAS); po prawej -- współczesne stromatolity z Australii

Po lewej: prawdopodobnie najstarsze znane skamieniałości -- stromatolity sprzed 3.45 miliardów lat (Allwood et al. 2009, PNAS); po prawej -- współczesne stromatolity z Australii (źródł: Wikipedia)

Dlatego głównym pytaniem biologów pracujących nad problemem biogenezy nie tyle jest „jak powstała pierwsza komórka”, ale czy w ogóle mogło dojść do jej powstania z prostych, nieożywionych substancji? Jeśli tak, to powinniśmy być w stanie przynajmniej pokazać taką możliwość w laboratorium, zaproponować szereg eksperymentalnie potwierdzonych procesów, które w sumie dałyby pierwsze komórki.
Następnym problemem wydaje się nieredukowalna złożoność żywej komórki. Każda komórka otoczona jest podwójną błoną lipidową, w jej wnętrzu znajdują się nośniki informacji — kwasy nukleinowe (DNA i RNA) — oraz białka. Białka są nieodzowne do syntezy wszystkich elementów komórki łącznie z DNA i RNA. Usuń którykolwiek z tych elementów i system przestaje działać. Wreszcie, system musi ewoluować. W tym celu musi (i) ulegać replikacji, (ii) z błędami i (iii) tempo replikacji musi zależeć od informacji przekazywanej przez system.
Zatem zadanie wygląda tak: stworzyć w laboratorium system przypominający żywą komórkę, który ewoluuje, i którego każdy element mógł powstać spontanicznie z prostych związków chemicznych.

Klasyczny eksperyment Millera / Ureya.

Klasyczny eksperyment Millera / Ureya. Rzecz jasna, opublikowany schemat aparatury nie był jedynym, z którym eksperymentowano. Niedawno grupa biologów przeanalizowała nowoczesnymi metodami wyniki innego eksperymentu Millera (schemat po prawej) -- okazało się, że powstało tam jeszcze więcej różnych aminokwasów niż w eksperymencie opublikowanym przez Millera (Johnson et al. 2008, Science).

2. Pierwszy krok wykonali w 1953 Miller i Urey (fajny link, kliknąć!) wraz z współpracownikami, demonstrując że z prostych związków chemicznych mogą samoistnie powstać nawet bardzo złożone substancje, takie jak aminokwasy. Później w ten sam sposób udało się zsyntetyzować cukry i nukleotydy, a niedawno Powner et al. pokazali, w jaki sposób mogły powstać rybonukleotydy, podstawowe cegiełki z których mogą powstać kwasy nukleinowe — nośniki informacji w naszych komórkach.

Kolejny krok został wykonany w latach osiemdziesiątych, gdy Altman i Cech odkryli rybozymy. Do tej pory zdawało się, że tylko białka są zdolne do przeprowadzania złożonych reakcji enzymatycznych, koniecznych do syntezy innych złożonych molekuł. Tymczasem okazało się, że także RNA ma właściwości katalityczne: cząsteczki RNA potrafią dokonywać zmian w strukturze innych cząsteczek, a nawet swojej własnej. Niedawno okazało się, że rybozymy zdolne są także do katalizowania replikacji RNA. Zatem do replikacji materiału genetycznego białka nie są potrzebne.

Jeden z najbardziej znanych "enzymów RNA", czyli rybozymów -- hammerhead. Hammerhead katalizuje reakcję przerwania łańcucha RNA w swojej własnej strukturze -- miejsce cięcia zaznaczono na ilustracji na zielono. Po prawej sekwencja i struktura drugorzędowa; po prawej trójwymiarowy model cząsteczki (Martick and Scott 2006)

Jeden z najbardziej znanych ``enzymów RNA'', czyli rybozymów -- hammerhead. Hammerhead katalizuje reakcję przerwania łańcucha RNA w swojej własnej strukturze -- miejsce cięcia zaznaczono na ilustracji na zielono. Po prawej sekwencja i struktura drugorzędowa; po prawej trójwymiarowy model cząsteczki (Martick and Scott 2006)

Na dodatek polimeraza RNA złożona z RNA nie jest jedynym sposobem, w jaki kwasy nukleinowe mogą się replikować. Okazuje się bowiem, że określone formy nukleotydów mogą samorzutnie łączyć się, kopiując gotową cząstkę DNA lub RNA. Chociaż ten proces nie jest bardzo specyficzny ani ogólny, wydaje się, że stworzenie systemu w którym samorzutnie replikuje się dowolna matryca DNA albo RNA to tylko kwestia czasu.

Mówiąc o RNA często myślimy o mRNA, funkcjonującym głównie jako nośnik informacji przekazujący ją z genomu do rybosomu, w którym syntetyzowane są białka. Tymczasem okazuje się, że RNA może katalizować reakcje biochemiczne, tworzyć złożone struktury i regulować procesy zachodzące w komórce. Rola RNA rośnie nieprzerwanie od kilkunastu lat, a końca wciąż nie widać. Nic dziwnego, że taką popularnością cieszy się hipoteza świata RNA — RNA world, postulująca RNA jako pierwszy ewoluujący system, jednoczący w sobie przenoszenie informacji genetycznej i zdolność do replikacji.

Ramka: RNA world

Fajnie, czyli przynajmniej z początku nie potrzeba białek. A co z podwójną błoną lipidową? Nad tym pracuje m.in. laureat tegorocznego Nobla, Jack Szostak. W 2004 roku ukazał się artykuł opisujący samoreplikujące się „komórki”, pęcherzyki złożone z lipidowej błony — komórki w cudzysłowie, bo wewnątrz niczego nie mają. Tym niemniej tworzą się samorzutnie, mogą ulegać podziałowi i ponownie rosnąć. Rzecz ciekawa, autorzy pracy pokazali, że proces ten jest o wiele szybszy w obecności pewnego minerału — montmorillonitu. Rzecz ciekawa, montomorillonit może także katalizować syntezę RNA. Więcej: okazuje się, że do pęcherzyków mogą przenikać kwasy nukleinowe i pojedyncze nukleotydy, a nawet że może tam zachodzić samorzutne kopiowanie DNA.

Prosty system złożony z krótkiego fragmentu DNA i pęcherzyka z podwójnej błony lipiodwej może ulegać replikacji. Konieczna jest obecność "cegiełek" (nukleotydów, lipidów) wykorzystywanych do wzrostu "komórek" i samorzutnej replikacji DNA.

Prosty system złożony z krótkiego fragmentu DNA i pęcherzyka z podwójnej błony lipiodwej może ulegać replikacji. Konieczna jest obecność cegiełek (nukleotydów, lipidów) wykorzystywanych do wzrostu niby-komórek i samorzutnej replikacji DNA.

3. Jak się więc wydaje, stworzenie modelowego systemu, w którym zawierające kwasy nukleinowe pęcherzyki potrafią się replikować to tylko kwestia czasu. A co dalej? Otóż przede wszystkim, taki system jeszcze nie ewoluuje — potrzeba związku między kopiowaną informacją a tempem replikacji; potrzeba też mutacji. Następnym istotnym krokiem będzie też zaproponowanie mechanizmu powstania systemu translacji białek (a więc przepisywania informacji z DNA czy RNA na białka). Prawdopodobnie konieczne będzie pokazanie, że rybozymy bez udziału białek potrafią także katalizować utworzenie wiązania peptydowego, które łączy pojedyncze aminokwasy w całe białko.

Od drugiej strony w kierunku stworzenia sztucznego życia podąża Craig J. Venter, któremu niedawno udało się wprowadzić całkowicie syntetyczny genom do komórki pozbawionej DNA, i uzyskać działający organizm. Ale to już zupełnie inna historia.

Literatura



%d bloggers like this: