- Prvi del: Kako narediti celico -
- Drugi del: Razcep v vrstah znanstvenikov -
- Četrti del: energija protonov -
- Peti del: kako torej ustvariti celico? -
- Šesti del: Velika združitev -
Tako so po šestdesetih letih znanstveniki, ki poskušajo razumeti izvor življenja, spadali v tri skupine. Nekateri so bili prepričani, da se je življenje začelo s tvorbo primitivnih različic bioloških celic. Drugi so verjeli, da je presnovni sistem ključni prvi korak, medtem ko so se drugi osredotočili na pomen genetike in podvajanja. Ta zadnja skupina je začela ugotavljati, kako bi lahko izgledal prvi replikator, ob predpostavki, da je narejen iz RNA.
Že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja so znanstveniki imeli razlog za domnevo, da je RNA vir vsega življenja.
Zlasti RNA lahko stori nekaj, česar DNK ne more. Je enodrojna molekula, tako da se lahko za razliko od toge, dvoverižne DNK zloži v več različnih oblik.
Podobno kot origami je bila zložljiva RNA na splošno podobna beljakovinam. Beljakovine so tudi večinoma dolge verige - samo aminokisline, ne nukleotidi - in to jim omogoča, da ustvarijo zapletene strukture.
To je ključ do najbolj neverjetne sposobnosti beljakovin. Nekatere od njih lahko pospešijo ali "katalizirajo" kemične reakcije. Takšni proteini so znani kot encimi.
Številni encimi se nahajajo v vašem črevesju, kjer razgrajujejo kompleksne molekule iz hrane na enostavne vrste sladkorja, ki jih vaše celice lahko uporabljajo. Brez encimov bi bilo nemogoče živeti.
Leslie Orgel in Frances Crick sta začela nekaj sumiti. Če se RNA lahko zbere kot beljakovina, morda lahko tvori encime? Če bi bilo to res, bi lahko bila RNA originalna - in univerzalna - živa molekula, ki hrani informacije, kot to počne DNK zdaj, in katalizira reakcije, kot to počnejo nekateri proteini.
To je bila odlična ideja, toda v desetih letih ni dobil nobenega dokaza.
Promocijski video:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech se je rodil in odraščal v Iowi. Kot otrok so ga očarale kamnine in minerali. In že v srednji šoli je pogledal lokalno univerzo in potrkal na vrata geologov z zahtevo, da pokažejo modele mineralnih struktur.
Vendar je sčasoma postal biokemik in se osredotočil na RNA.
V začetku osemdesetih let je Cech s sodelavci na univerzi v Koloradu v Boulderju proučeval enocelični organizem Tetrahymena thermophila. Del njegovih celičnih strojev vključuje niti RNA. Cech je odkril, da je en segment RNA nekako ločen od ostalih, kot da bi bil izrezan s škarjami.
Ko so znanstveniki odstranili vse encime in druge molekule, ki bi lahko delovale kot molekularne škarje, je RNA še naprej izločala. Tako so našli prvi encim RNA: kratek kos RNA, ki se lahko izrezuje iz dolgega niza, katerega del je.
Cech je rezultate svojega dela objavil leta 1982. Naslednje leto je druga skupina znanstvenikov odkrila drugi encim RNA, "ribozim" (skratka za "ribonukleinska kislina" in "encim", aka encim). Odkritje dveh encimov RNA drug za drugim je kazalo, da jih mora biti še veliko več. In tako je ideja o začetku življenja z RNA začela izgledati trdno.
Ime te ideje je dobil Walter Gilbert z univerze Harvard v Cambridgeu v Massachusettsu. Kot fizik, fasciniran z molekularno biologijo, je Gilbert postal tudi eden zgodnjih zagovornikov sekvenciranja človeškega genoma.
Leta 1986 je Gilbert v Nature napisal, da se je življenje začelo v "svetu RNA".
Kot je trdil Gilbert, je prva faza evolucije sestavljala "molekule RNA, ki izvajajo katalitično aktivnost, potrebno za sestavljanje v juho nukleotidov." S kopiranjem in lepljenjem različnih bitov RNA lahko molekule RNA ustvarijo še več uporabnih zaporedij. Nazadnje so našli način, kako ustvariti beljakovine in beljakovinske encime, ki so se izkazali za tako koristne, da so v veliki meri izpodrinile različice RNA in povzročile življenje, ki ga imamo.
Svet RNA je eleganten način za obnovo zapletenega življenja iz nič. Namesto da bi se zanašali na hkratno tvorjenje desetine bioloških molekul iz prvotne juhe, bi molekul "eden za vse" lahko delo.
Leta 2000 je svetovna hipoteza RNA prejela velikanski podporni dokaz.
Ribosom tvori beljakovine
Thomas Steitz je 30 let preučeval strukturo molekul v živih celicah. V devetdesetih letih se je posvetil svoji najresnejši nalogi: ugotoviti strukturo ribosoma.
V vsaki živi celici je ribosom. Ta ogromna molekula bere navodila v RNA in uredi aminokisline, da ustvari beljakovine. Ribosomi v vaših celicah so zgradili večino vašega telesa.
Za ribosom je bilo znano, da vsebuje RNA. Toda leta 2000 je Steitzova ekipa izdelala podrobno sliko strukture ribosoma, ki je pokazala, da je RNA katalitično jedro ribosoma.
To je bilo pomembno, ker je ribosom bistveno pomemben za življenje in hkrati zelo starodaven. Dejstvo, da je bil ta bistveni stroj zgrajen na RNA, je postalo hipotezo sveta RNA še bolj verodostojno.
Podporniki "sveta RNA" so zmagali in Steitz je leta 2009 prejel del Nobelove nagrade. Toda od takrat so znanstveniki začeli dvomiti. Ideja o "svetu RNA" je že od samega začetka imela dve težavi. Ali RNA res lahko sam opravlja vse funkcije življenja? Ali se je lahko oblikoval na zgodnji Zemlji?
Minilo je 30 let, odkar je Gilbert postavil temelje za "svet RNA", in še vedno nismo našli trdnih dokazov, da RNA lahko stori vse, kar od nje zahteva teorija. Je majhna spretna molekula, vendar morda ne bo zmogla vsega.
Ena stvar je bila jasna. Če se je življenje začelo z molekulo RNA, bi morala biti RNA sposobna narediti kopije: morala se je samo-razmnoževati in se samo-razmnoževati.
Toda nobena od znanih RNK se ne more ponoviti. Tako je tudi z DNK. Za ustvarjanje kopije ali koščka RNK ali DNK potrebujejo bataljon encimov in drugih molekul.
Zato je v poznih osemdesetih letih več znanstvenikov začelo zelo quijotsko iskanje. Odločili so se, da bodo sami ustvarili RNK, ki se sam ponovi.
Jack Shostak
Jack Shostak z Harvard School of Medicine je bil eden prvih. Kot otrok ga je kemija tako očarala, da je v kleti svoje hiše sprožil laboratorij. Ne glede na lastno varnost je nekoč celo sprožil eksplozijo, po kateri se je v strop zataknila steklena cev.
V začetku osemdesetih let je Shostak pomagal pokazati, kako se geni ščitijo pred procesom staranja. Ta dokaj zgodnja študija mu je na koncu prislužila del Nobelove nagrade. Vendar je zelo kmalu občudoval Cechove encime RNA. "Mislil sem, da je to delo super," pravi. "Načeloma je povsem mogoče, da RNA katalizira lastno reprodukcijo."
Leta 1988 je Cech odkril encim RNA, ki lahko gradi kratko molekulo RNA, dolgo 10 nukleotidov. Shostak se je odločil izboljšati odkritje s proizvodnjo novih encimov RNA v laboratoriju. Njegova ekipa je ustvarila niz naključnih sekvenc in preizkusila, ali ima kdo od njih katalitične sposobnosti. Nato so vzeli te sekvence, jih predelali in ponovno preizkusili.
Po 10 krogih takih ukrepov je Shostak proizvedel encim RNA, ki je reakcijo pospešil za sedem milijonov krat. Pokazal je, da so encimi RNA lahko res močni. Toda njihov encim se ni mogel kopirati, niti rahlo. Šostak je bil v slepi ulici.
Mogoče se življenje ni začelo z RNA
Naslednji velik korak je leta 2001 storil nekdanji študent Shostak David Bartel z Massachusetts Institute of Technology v Cambridgeu. Bartel je izdelal encim R18 RNA, ki je lahko dodal nove nukleotide v pramen RNA na podlagi obstoječe predloge. Z drugimi besedami, ni dodajal naključnih nukleotidov: pravilno je kopiral zaporedje.
Medtem ko še ni bil samorepliator, ampak že nekaj podobnega. R18 je bil sestavljen iz verige 189 nukleotidov in je lahko zanesljivo dodal verigi 11 nukleotidov: 6% lastne dolžine. Upal je, da mu bo nekaj popravkov omogočilo sestavljanje 189 nukleotidnih verig - tako kot on sam.
Najbolje je to storil Philip Holliger leta 2011 iz laboratorija za molekularno biologijo v Cambridgeu. Njegova ekipa je ustvarila modificiran R18, imenovan tC19Z, ki je kopiral sekvence v dolžino do 95 nukleotidov. To je 48% njegove dolžine: več kot R18, a še zdaleč ni 100%.
Alternativni pristop sta predlagala Gerald Joyce in Tracy Lincoln z Inštituta Scripps v La Jolli, Kalifornija. Leta 2009 so ustvarili encim RNA, ki se razmnožuje posredno. Njihov encim združuje dva kratka kosa RNA, da ustvari drugi encim. Nato združi ostala dva kosa RNA, da ustvari prvotni encim.
Glede na razpoložljivost surovin lahko ta preprost cikel nadaljujemo v nedogled. Toda encimi so delovali šele, ko so dobili pravilne RNA nize, kar sta morala storiti Joyce in Lincoln.
Za mnoge znanstvenike, ki so skeptični do "sveta RNK", je pomanjkanje samoumevljive RNA usoden problem s to hipotezo. RNK očitno ne more prevzeti in začeti življenja.
Težavo je zakompliciralo tudi neuspeh kemikov, da bi ustvarili RNA iz nič. Videti bi bila preprosta molekula v primerjavi z DNK, vendar jo je izredno težko narediti.
Težava je v sladkorju in bazi, ki tvorita vsak nukleotid. Vsakega od njih lahko naredite posebej, vendar trmasto nočejo sodelovati. Do začetka devetdesetih je ta problem postal očiten. Številni biologi so sumili, da hipoteza "sveta RNA" kljub vsej svoji privlačnosti morda ni povsem pravilna.
Namesto tega je na zgodnji Zemlji morda obstajala še kakšna druga molekula: nekaj preprostejšega od RNA, ki bi se dejansko lahko pobrala iz prvotne juhe in se začela razmnoževati. Najprej bi lahko obstajala ta molekula, ki je nato vodila do RNA, DNK in tako naprej.
DNK bi se komaj lahko oblikoval na zgodnji Zemlji
Leta 1991 je Peter Nielsen z univerze v Københavnu na Danskem predstavil kandidata za primarne razmnoževalce.
To je bila v bistvu močno spremenjena različica DNK. Nielsen je ohranil enake baze - A, T, C in G - ki jih najdemo v DNK -, vendar je hrbtenico naredil iz molekul, imenovanih poliamidi, in ne iz sladkorjev, ki jih najdemo tudi v DNK. Poimenoval je novo molekularno poliamidno nukleinsko kislino ali PNA. Na nerazumljiv način je od takrat postala znana kot nukleinska kislina peptida.
PNA v naravi še nikoli nismo našli. Vendar se obnaša skoraj kot DNK. PNA pramen lahko celo zasede mesto enega od vej molekule DNA, baze pa so seznanjene kot običajno. Poleg tega se lahko PNA zvija v dvojno vijačnico, kot je DNK.
Zaintrigiral je Stanley Miller. Globoko skeptičen do sveta RNA je posumil, da je PNA veliko bolj verjetno kandidat za prvi genetski material.
Leta 2000 je predstavil nekaj trdnih dokazov. Do takrat je že dopolnil 70 let in doživel je več možganskih kapi, zaradi katerih so ga lahko poslali v negovalni dom, a ni odnehal. Ponovil je klasični eksperiment, o katerem smo govorili v prvem poglavju, tokrat z uporabo metana, dušika, amoniaka in vode - in dobil poliamidno bazo PNA.
To je kazalo, da bi se PNA, za razliko od RNA, lahko dobro oblikovala na zgodnji Zemlji.
Molekula molekule nukleinske kisline
Drugi kemiki so iznašli svoje alternativne nukleinske kisline.
Leta 2000 je Albert Eschenmoser izdelal treo nukleinsko kislino (TNK). To je isti DNK, vendar z drugačnim sladkorjem v bazi. TNC verige lahko tvorijo dvojno vijačnico, informacije pa se kopirajo v obe smeri med RNA in TNK.
Poleg tega se lahko TNC zlagajo v zapletene oblike in se celo vežejo na beljakovine. To namiguje, da lahko TNK deluje kot encim, kot RNA.
Eric Megges je leta 2005 naredil glikolno nukleinsko kislino, ki lahko tvori spiralne strukture.
Vsaka od teh alternativnih nukleinskih kislin ima svoje zagovornike. Vendar v naravi ni mogoče najti sledov, tako da če jih je prvo življenje resnično uporabilo, jih je moral v nekem trenutku popolnoma opustiti v korist RNA in DNK. To je morda res, vendar ni dokazov.
Posledično so se sredi leta 2000 podporniki sveta RNA znašli v stiski.
Po eni strani so obstajali encimi RNA, ki so vključevali enega najpomembnejših delov biološkega inženiringa, ribosome. Dobro.
Toda samo-ponovljive RNA ni bilo mogoče najti in nihče ni mogel razumeti, kako je nastala RNA v prvotni juhi. Nadomestne nukleinske kisline bi lahko rešile slednji problem, vendar ni dokazov, da so obstajale v naravi. Ni zelo dobra.
Očitna ugotovitev je bila, da se je "svet RNA" kljub privlačnosti izkazal za mit.
Medtem pa je od osemdesetih let prejšnjega stoletja postopoma dobivala drugačna teorija. Njeni podporniki trdijo, da se življenje ni začelo z RNA, DNK ali drugim genetskim materialom. Namesto tega se je začelo z mehanizmom za pridobivanje energije.
Življenje potrebuje energijo, da ostane živa
ILYA KHEL
- Prvi del: Kako narediti celico -
- Drugi del: Razcep v vrstah znanstvenikov -
- Četrti del: energija protonov -
- Peti del: kako torej ustvariti celico? -
- Šesti del: Velika združitev -