Hogyan sikerült az élet számtalan részből összerakni? Legalábbis a Föld első életformáinak szüksége volt az információ tárolásának és reprodukálásának módjára. Csak akkor készíthetnek másolatot magukról, és elterjedhetnek az egész világon. A kémia talán sokkal fontosabb szerepet játszott az élet eredetében, mint azt korábban gondolták.
Az egyik legbefolyásosabb hipotézis az, hogy mindez az RNS-sel kezdődött, egy olyan molekulával, amely egyszerre képes genetikai rekordok rögzítésére és kémiai reakciók kiváltására. Az "RNS-világ" hipotézise sokféle formában nyilvánul meg, de a legszokásosabb szerint az élet egy önmagában reprodukálni képes RNS-molekula kialakulásával kezdődött. Az ő leszármazottai sokféle feladat elvégzésére képesek, például új vegyületek előállítására és az energia tárolására. Az idő múlásával nehéz élet következett.
A tudósok azonban úgy találták, hogy az önreplikáló RNS meglepően nehéz létrehozni a laboratóriumban. Sikeresek voltak, de a mai napig előállított jelölt molekulák csak egy meghatározott szekvencia vagy hosszúságú RNS-t tudnak reprodukálni. Ezen túlmenően, ezek az RNS-molekulák meglehetősen összetettek, ami felveti a kérdést, hogy vajon egy kémiai baleset következtében hogyan alakulhattak volna ki.
Nick Hud, a grúziai Technológiai Intézet vegyésze és munkatársai úgy döntöttek, hogy túllépnek a biológián, és megvizsgálják a kémia lehetséges szerepét az élet eredetében. A biológia megjelenése előtt talán volt egy proto-élet előzetes szakasz, amelyben csak a kémiai folyamatok hoztak létre az RNS és RNS-szerű molekulák "büfét". "Azt hiszem, nagyon sok lépés vezetett egy önreplikáló önfenntartó rendszerhez" - mondja Hud.
Ebben a forgatókönyvben spontán módon különféle RNS-szerű molekulák képződhetnek, segítve a kémiai táptalajot az élet fejlődéséhez szükséges sok részlet egyidejű feltalálásában. A proto-élet formák kísérlete az primitív molekuláris tervezéssel történt, darabonként elválasztva. Az egész rendszer úgy működött, mint egy hatalmas összetörés. Csak akkor, amikor létrejött egy ilyen rendszer, kialakult az önreplikáló RNS.
Hud javaslatának központi eleme a proto-élet ilyen gazdag változatának megteremtésének kémiai eszköze. A számítógépes szimulációk azt mutatják, hogy bizonyos kémiai körülmények az RNS-szerű molekulák változatos gyűjteményét eredményezhetik. A csapat jelenleg a laboratóriumban valódi molekulákkal teszteli ezt az elképzelést, és reméli, hogy hamarosan bemutatja az eredményeket.
Hud csoportja számos kutató számára előkészíti az utat, akik vitatják az RNS-világ hagyományos hipotézisét és annak függőségét a biológiai, nem pedig a kémiai evolúciótól. A hagyományos modellben új molekuláris mérnököket hoztak létre biológiai katalizátorok - enzimek - felhasználásával, mint ahogy a modern sejtek esetében is. Hud proto-élet szakaszában tisztán kémiai módszerekkel rengeteg RNS vagy RNS-szerű molekula képződhet és megváltozhat. "A kémiai fejlődés hozzájárulhatott az enzimek nélküli élet megkezdéséhez" - mondja Hud.
Promóciós videó:
Hud és kollégái úgy döntöttek, hogy továbbmennek és feltételezik, hogy a riboszóma, az egyetlen biológiai mérnöki darab, amely manapság minden élőlényben jelen van, teljes egészében a kémiaből származik. Ez a dolgok áttekintésének szokatlan módja, mivel sokan úgy vélik, hogy a riboszóma a biológia által született.
Ha Hud csapata képes létrehozni a proto-élet formáit olyan körülmények között, amelyek a Föld korai szakaszában léteztek, akkor feltételezhető, hogy a kémiai evolúció sokkal jelentősebb szerepet játszhatott az élet eredetében, mint a tudósok várták. "A darwini evolúciót egy evolúció egyszerűbb formája előzte meg" - mondja Niels Lehman, az oregoni Portlandi Egyetem biokémikusa.
A darwini előtti világ
Amikor a legtöbben az evolúcióról gondolkodnak, eszébe jut a darwini evolúció, amelyben az organizmusok versengnek egymással a korlátozott erőforrásokért és továbbadják genetikai információikat utódaik számára. Minden generáció genetikai korrekción megy keresztül, és a legsikeresebb utódok túlélnek, hogy továbbadják géneiket. Az evolúciónak ez a módja érvényesül a modern életben.
Karl Woese, a híres biológus, aki a modern életfát adta nekünk, azt hitte, hogy a darwini korszakot az élet korai stádiuma előzte meg, amelyet teljesen más evolúciós erők irányítottak. Woese azt hitte, hogy egy sejt számára szinte lehetetlen megszerezni mindent, amire szüksége van az élethez. Ezért elképzelte a közösségben létező molekulák gazdag változatosságát. Ahelyett, hogy egymással versenyeznek, az primitív sejtek molekuláris innovációkat osztottak meg. Ez a darwini előtti táptalaj megteremtette a komplex élethez szükséges összetevőket, előkészítve az utat a csodálatos menagerie-nek, amelyet ma a Földön látunk.
Hud modellje még jobban visszatereli Woese darwini előtti időképét az idővel, és az primitív sejtek számára biztosítja a molekuláris sokféleség megteremtésének kémiai eszközeit. A proto-élet egyik formája megtervezheti az önmagához szükséges blokkok létrehozásának módját, egy másik módja az energia elnyerése. Ez a modell az RNS-világ hagyományos hipotézisétől abban különbözik, hogy inkább a kémiai, mint a biológiai evolúciótól függ.
Az RNS világában az első RNS molekulák reprodukálják magukat a beépített ribozim enzim segítségével, amely RNS-ből áll. Hud proto-életének világában ezt a feladatot kizárólag kémiai módszerekkel hajtották végre. A történet egy RNS-szerű molekulák kémiai levesével kezdődik. A legtöbb rövid, mivel a rövid láncok valószínűleg spontán módon alakulnak ki, de lehetnek hosszabb, komplex molekulák is. Hud-modell leírja, hogyan lehet hosszabb molekulákat reprodukálni egy enzim nélkül.
Hud úgy véli, hogy az prebiotikus világban az elsődleges RNS leves rendszeres melegítési és hűtési ciklusokon ment keresztül, sűrűvé és viszkózusvá vált. A hő elválasztotta a kötött RNS-párokat, és a viszkózus oldat egy ideig távol tartotta a molekulákat egymástól. Eközben az RNS kis szegmensei, csak néhány karakter hosszúak, kapcsolódnak minden hosszú szálhoz. Ezeket a kis szegmenseket fokozatosan összefűzték, és egy új RNS-szálat képeztek, amely megfelel az eredeti hosszú szálnak. Aztán a ciklus újra elindult.
RNS replikációs kémiai útvonalak
Az idő múlásával, ahogy a különféle RNS-szerű molekulák táptalaja kibővült és növekedett, néhányuk egyszerű funkciókat, például anyagcserét szerzett. Ugyanígy, a tiszta kémiai reakciók molekuláris sokféleséget eredményezhetnek, és létrehozhatják a Woese proto-életének pre-darwini bőségszövetét.
Hud csoportjának sikerült befejeznie a szaporodási folyamat korai szakaszát a laboratóriumban, bár még nem tanultak meg, hogyan kell ragasztani a rövid szegmenseket anélkül, hogy biológiai eszközöket igénybe vennének. Ha képesek leküzdeni ezt az akadályt, akkor egyetemes módszert hoznak létre az RNS reprodukciójára.
Néhány tudós azonban kételkedik abban, hogy a kémiai úton közvetített reprodukció elégséges lesz-e a Had által lefedett darwini világ előtti reprodukcióhoz. "Nem tudom, hogy hiszek-e rajta" - mondja Paul Higgs, az Ontario állambeli Hamiltoni McMaster Egyetem biofizikusa, aki az élet eredetét vizsgálja. "Mindennek gyorsan és pontosan kell történnie a következetesség megteremtéséhez." Vagyis ennek a folyamatnak gyorsabban kell előállítania az új RNS-eket, mint pusztulniuk, és pontosan annyira, hogy a templátmolekulák hozzávetőleges másolatait elkészítsék.
A kémiai változások önmagukban nem elegendőek az élet létrehozásához. A proto-élet táptalajához még mindig szükség volt valamilyen szelekcióra, amely biztosítja, hogy a hasznos molekulák gyarapodjanak és szaporodjanak. Modellükben Hada csoportja azt sugallja, hogy a legegyszerűbb proto-enzimek kialakulhattak és elterjedtek, amelyek az alkotóik és az egész társadalom javát szolgálták. Például egy olyan RNS-molekula, amely több építőelemet termelt, saját magának és szomszédainak az volt a haszna, hogy további nyersanyagokat biztosított számukra a szaporodáshoz. A Hud-csoport által végzett számítógépes szimulációk azt mutatták, hogy az ilyen típusú molekulák jól be tudnak gyökerezni. Az nagyon hasznos, aki dúsítja a levest.
Riboszomális gyökerek
A darwini előtti világ egyik lehetséges pillantása a riboszómában látható, amely a molekuláris gépezet ősi darabja, amely genetikai kódunk alapját képezi. Ez egy enzim, amely a genetikai információt kódoló RNS-t olyan fehérjévé alakítja, amely számos kémiai reakciót hajt végre sejtjeinkben.
A riboszómamag RNS-ből áll. Ez egyedivé teszi a riboszómát - sejtjeinkben az enzimek döntő többsége fehérjékből áll. Mind a riboszomális mag, mind a genetikai kód közös az összes élőlényben, ami azt jelzi, hogy léteznek az élet fejlődésének kezdetén, valószínűleg még a darwini küszöb átlépése előtt is.
Hud és kollégája, Lauren Williams, szintén a Georgia Tech munkatársa, rámutatnak a riboszómára, mint a kémiailag meghatározott világ elméletének alátámasztására. A tavaly közzétett cikkben ellentmondásos nyilatkozatot tettek: a riboszóma magját a kémiai evolúció hozta létre. Azt is javasolták, hogy ez még az első önreplikáló RNS-molekula megjelenése előtt megjelenjen. A riboszómás mag sikeres kísérlet lehet a kémiai evolúcióban. És miután beindult a darwini előtti táplevesbe, átlépte a darwini küszöböt, és az egész élet fontos részévé vált.
Érvelésük a riboszómális mag relatív egyszerűségére támaszkodik, amelyet hivatalosan peptidil-transzferáz-központnak (PTC) neveznek. A PTC feladata az aminosavak, a fehérjék építőelemeinek összeállítása. A hagyományos enzimektől eltérően, amelyek „okos kémiai trükkökkel” felgyorsítják a kémiai reakciókat, szárítószerként működik. Két aminosavat meggyőzni a kötésről azáltal, hogy egyszerűen eltávolítja a vízmolekulát. "Ez egy ilyen rossz módszer a reakció elfojtására" - mondja Lehman. "A fehérje enzimek általában erősebb kémiai stratégiákra támaszkodnak."
Lehman megjegyzi, hogy az egyszerűség valószínűleg megelőzte a hatalmat az élet legkorábbi szakaszaiban. „Amikor az élet eredetére gondolsz, először az egyszerű kémiára kell gondolni; a legegyszerűbb kémia bármely folyamata valószínűleg ősi, mondja. "Úgy gondolom, hogy ez egy kényszerítőbb érv, mint az a tény, hogy az életébe tartozik."
Erõs bizonyítékok ellenére továbbra is nehéz elképzelni, hogy a kémiai evolúció eredményeként hogyan alakulhatna ki a riboszómamag. Egy enzim, amely önmagában többet hajt végre - mint például az RNS replikátor az RNS világ hipotézisében - automatikusan zárt hurkot hoz létre, folyamatosan növelve saját termelékenységét. Ezzel szemben a riboszómális mag nem termel több riboszómális magot. Véletlen aminosavak láncokat állít elő. Nem világos, hogy ez a folyamat miként ösztönözheti több riboszóma képződését.
Hud és munkatársai azt gondolják, hogy az RNS és a fehérjék együttesen fejlődtek ki, és aki kitalálta, hogyan kell együtt működni, túlélt. Ennek az ötletnek nincs az RNS-világ egyszerűsége, amely feltételezi, hogy egyetlen molekula létezik, amely képes egyszerre kódolni az információkat és katalizálni a kémiai reakciókat. De Hud másképp hiszi: a komplexitás adja az eleganciát az élet megjelenéséhez.
"Azt hiszem, mindig is nagy hangsúlyt fektettek az egyszerűségre, hogy egy polimer jobb, mint kettő" - mondja. „Lehet, hogy könnyebb specifikus reakciókat kapni, ha a két polimer együtt működik. Lehet, hogy a polimerek eleinte könnyebben működtek együtt.”
A Quanta Magazine anyagai alapján