- Az első rész: Hogyan készítsünk egy sejtet -
- Második rész: A felosztás a tudósok körében -
- Negyedik rész: a protonok energiája -
- Ötödik rész: hogyan lehet létrehozni egy cellát? -
- Hatodik rész: A nagy egyesülés -
Tehát az 1960-as évek után az élet eredetének megértését próbáló tudósok három csoportra osztottak. Néhányan meg voltak győződve arról, hogy az élet a biológiai sejtek primitív változatainak kialakulásával kezdődik. Mások szerint az anyagcsere-rendszer volt a kulcsfontosságú első lépés, mások a genetika és a replikáció fontosságára összpontosítottak. Ez az utolsó csoport kitalálta, hogy néz ki az első replikátor, feltételezve, hogy RNS-ből készül.
A tudósoknak már az 1960-as években volt oka feltételezni, hogy az RNS az egész élet forrása.
Különösen az RNS tehet valamit, amit a DNS nem képes. Egyszálú molekula, tehát a merev, kétszálú DNS-től eltérően számos különböző alakba hajlik.
Az origamihoz hasonlóan a hajtogatható RNS viselkedése általában hasonló volt a fehérjékhez. A fehérjék többnyire hosszú láncok - csak aminosavakból, nem nukleotidokból áll - és ez lehetővé teszi számukra, hogy összetett struktúrákat hozzanak létre.
Ez a kulcsa a fehérjék legcsodálatosabb képességének. Néhányan felgyorsíthatják vagy „katalizálhatják” a kémiai reakciókat. Az ilyen fehérjék enzimek.
Számos enzim található a bélben, ahol bontják az ételekből származó komplex molekulákat egyszerű típusú cukrokká, amelyeket a sejtek felhasználhatnak. Enzimek nélkül lehetetlen lenne élni.
Leslie Orgel és Frances Crick gyanúsítottak valamit. Ha az RNS fehérjeként hajlik össze, akkor enzimeket képezhet? Ha ez igaz, akkor az RNS lehet eredeti - és univerzális - élő molekula, amely információt tárol, mint ahogy a DNS jelenleg, és katalizálja a reakciókat, mint néhány fehérje.
Nagyszerű ötlet volt, de tíz év alatt nem kapott bizonyítékot.
Promóciós videó:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech Iowában született és nőtt fel. Gyerekként lenyűgözte a sziklák és ásványok. És már a középiskolában megnézte a helyi egyetemet, és kopogtatott a geológusok ajtaján azzal a kéréssel, hogy mutassa meg az ásványi szerkezetek modelleit.
Végül azonban biokémikus lett, és az RNS-re összpontosított.
Az 1980-as évek elején Cech és a Boulder-i Colorado Egyetem munkatársai az egysejtű Tetrahymena thermophila szervezetet tanulmányozták. A celluláris gépek egy része tartalmaz RNS szálakat. Cech rájött, hogy az RNS egyetlen szegmensét valahogy elválasztják a többi részétől, mintha ollóval kivágták volna.
Amikor a tudósok eltávolították az összes enzimet és egyéb molekulákat, amelyek molekuláris ollóként működhetnek, az RNS szekréciója folytatódott. Tehát megtalálták az első RNS enzimet: egy rövid RNS darabot, amely képes kivágni magát annak a hosszú szálból, amely részét képezi.
Cech 1982-ben tette közzé munkája eredményét. A következő évben egy másik tudóscsoport felfedezte egy második RNS enzimet, "ribozim" (rövidítés a "ribonukleinsav" és "enzim", más néven enzim). Két RNS enzim felfedezése egymás után jelezte, hogy sokkal többnek kell lennie. És így az RNA-val való élet megkezdésének gondolata szilárdnak tűnt.
Ennek az ötletnek a nevét azonban Walter Gilbert adta a Massachusetts-i Cambridge-i Harvard Egyetemen. A molekuláris biológiát lenyűgöző fizikusként Gilbert az emberi genom szekvenálásának korai támogatói közé tartozik.
1986-ban Gilbert írta a Nature-ban, hogy az élet az "RNS-világban" kezdődik.
Az evolúció első szakasza - állította Gilbert - a következőkből állt: "RNS-molekulák, amelyek elvégzik azt a katalitikus aktivitást, amely ahhoz szükséges, hogy önmagukba nukleotid-táptalajba kerüljenek." Az RNS különböző bitjeinek másolása és beillesztése révén az RNS molekulák még hasznosabb szekvenciákat hozhatnak létre. Végül megtaláltak egy módszert olyan fehérjék és fehérje-enzimek előállítására, amelyek annyira hasznosnak bizonyultak, hogy nagyrészt elhagyták az RNS-verziókat, és életünket teremtették meg.
Az RNA World egy elegáns módszer a bonyolult élet újjáépítéséhez. Ahelyett, hogy támaszkodna az elsődleges levesből származó tucatnyi biológiai molekula egyidejű képződésére, az „egy mindenki számára” molekula meg tudja csinálni a munkát.
2000-ben az RNS világhipotézisének kolosszális darabja kapott alátámasztó bizonyítékokat.
A riboszóma fehérjéket termel
Thomas Steitz 30 évet töltött az élő sejtek molekuláinak felépítésén. Az 1990-es években a legkomolyabb feladatának szentelte a feladatot: a riboszóma szerkezetének kitalálását.
Minden élő sejtben riboszóma található. Ez a hatalmas molekula olvassa az utasításokat az RNS-ben, és az aminosavakat elrendezi fehérjék előállításához. A sejtek riboszómái építették fel a test legnagyobb részét.
A riboszómáról ismert volt, hogy tartalmaz RNS-t. Steitz csapata 2000-ben azonban részletes képet készített a riboszóma szerkezetéről, amely azt mutatta, hogy az RNS a riboszóma katalitikus magja.
Ez azért volt fontos, mert a riboszóma alapvetően fontos az élet szempontjából, és ugyanakkor nagyon ősi is. Az a tény, hogy ezt az alapvető gépet az RNS-re építették, még inkább megalapozottá tette az RNS világhipotézisét.
Az "RNA világ" támogatói diadalmaskodtak, és 2009-ben Steitz részesedést kapott a Nobel-díjból. De azóta a tudósok elkezdenek kételkedni. Az „RNS-világ” elképzelése a kezdetektől két probléma volt. Lehet-e az RNA önmagában teljesíteni az élet összes funkcióját? Megalakulhatott volna a korai Földön?
30 év telt el, amikor Gilbert megalapozta az "RNS-világot", és még mindig nem találtunk szilárd bizonyítékot arra, hogy az RNS mindent megtehet, amit az elmélet megkövetel. Ez egy kicsit ügyes molekula, de lehet, hogy nem képes mindent megtenni.
Egy dolog világos volt. Ha az élet egy RNS-molekulával kezdődött, akkor az RNS-nek képesnek kellett lennie arra, hogy másolatot készítsen önmagáról: önmagának replikálódónak, önmagát replikálónak kell lennie.
De az ismert RNS-k egyike sem képes replikálni magát. Ugyanaz a DNS. Szükségük van egy enzimek és más molekulák batalionjára az RNS vagy DNS másolatának vagy darabjának létrehozásához.
Ezért a nyolcvanas évek végén több tudós indított egy nagyon quixotikus küldetést. Úgy döntöttek, hogy önmagukban replikálódó RNS-t hoznak létre.
Jack Shostak
Jack Shostak a Harvardi Orvostudományi Iskolából volt az elsők között. Gyerekként annyira lenyűgözte a kémia, hogy laboratóriumot indított a házának alagsorában. Saját biztonsága elhanyagolása után egyszer még egy robbanást is elindított, amelyet követően egy üvegcső beragadt a mennyezetbe.
Az 1980-as évek elején Shostak segített megmutatni, hogy a gének hogyan védik meg magukat az öregedés folyamataitól. Ez a meglehetősen korai tanulmány végül megszerezte egy darab Nobel-díjat. Nagyon hamar megcsodálta a Cech RNS enzimeit. "Azt hittem, hogy ez a munka fantasztikus" - mondja. "Alapvetően teljesen lehetséges, hogy az RNS katalizálja a saját szaporodását."
1988-ban a Cech felismert egy RNS enzimet, amely rövid, 10 nukleotid hosszú RNS molekulát képes felépíteni. Shostak úgy döntött, hogy javítja a felfedezést azáltal, hogy új RNS enzimeket állít elő a laboratóriumban. Csapata véletlenszerű szekvenciákat készített és megvizsgálta, hogy egyikük katalitikus-e. Aztán elvitték ezeket a szekvenciákat, átdolgozták és újra kipróbálták.
Az ilyen műveletek 10 fordulója után a Shostak előállított egy RNS-enzimet, amely hétmilliószor gyorsította fel a reakciót. Megmutatta, hogy az RNS enzimek valóban erősek lehetnek. De az enzimük nem tudta lemásolni magát, még kissé sem. Shostak zsákutcában volt.
Lehet, hogy az élet nem az RNA-val kezdődött
A következő nagy lépést 2001-ben megtette David Bartel, a šostaki hallgató, a Cambridge-i Massachusetts Technológiai Intézet. Bartel elkészítette az R18 RNS enzimet, amely új nukleotidokat adhat az RNS szálhoz egy meglévő templát alapján. Más szavakkal, nem véletlenszerű nukleotidokat adott hozzá: helyesen másolta a szekvenciát.
Bár ez még nem volt önreplikátor, de már valami hasonló. Az R18 egy 189 nukleotidos láncból állt, és megbízhatóan 11 nukleotidot adhatott hozzá a lánchoz: saját hossza 6% -a. Remélhetőleg néhány csípés lehetővé teszi számára egy 189 nukleotid lánc felépítését - akárcsak ő maga.
A legjobban Philip Holliger tette meg 2011-ben a Cambridge-i Molekuláris Biológiai Laboratóriumból. Csapata létrehozott egy módosított R18-at, tC19Z néven, amely akár 95 nukleotid hosszúságú szekvenciákat másolt. Ez a saját hosszának 48% -a: több, mint az R18, de messze nem 100%.
Alternatív megközelítést javasolt Gerald Joyce és Tracy Lincoln a Scripps Institute-ból a kaliforniai La Jolla-ban. 2009-ben létrehoztak egy RNS enzimet, amely közvetett módon replikálódik. Enzimük két rövid RNS darabot egyesít, hogy második enzimet hozzon létre. Ezután egyesíti a másik két RNS darabot az eredeti enzim újjáépítéséhez.
A nyersanyagok rendelkezésre állása miatt ez az egyszerű ciklus határozatlan ideig folytatható. Az enzimek azonban csak akkor működtek, amikor a helyes RNS-szálakat kaptak nekik, amit Joyce-nek és Lincoln-nak is meg kellett tennie.
Sok olyan tudós számára, akik szkeptikusak az "RNS-világban", a hipotézis végzetes problémája az önreplikáló RNS hiánya. Az RNS nyilvánvalóan egyszerűen nem tudja megkezdeni az életet.
A problémát az is súlyosbította, hogy a vegyészek nem tudtak RNA-t létrehozni a semmiből. Egyszerű molekula tűnik a DNS-hez képest, de rendkívül nehéz elkészíteni.
A probléma az egyes nukleotidokat alkotó cukorban és bázisban rejlik. Mindegyiket külön megteheti, de makacsul megtagadják a részvételt. Az 1990-es évek elejére ez a probléma nyilvánvalóvá vált. Sok biológus azt gyanította, hogy az "RNS világ" hipotézise annak minden vonzereje ellenére nem feltétlenül helyes.
Ehelyett lehet, hogy másfajta molekula létezik a korai Földön: valami egyszerűbb, mint az RNS, amely valójában fel tudja venni magát az ősi levesből, és megkezdi magát a szaporodást. Először lehet ez a molekula, amely azután RNS-hez, DNS-hez vezet és így tovább.
A DNS alig alakulhatott ki a korai Földön
1991-ben Peter Nielsen, a dán koppenhágai egyetem jött létre elsődleges replikátorjelölttel.
Alapvetően a DNS erősen módosított változata volt. Nielsen ugyanazokat a bázisokat - A, T, C és G - tartotta meg, amelyeket a DNS-ben találtak, de a gerincét a poliamidoknak nevezett molekulákból, és nem a cukrokból, amelyek a DNS-ben is megtalálhatók, készítették. Az új molekula poliamid nukleinsavat vagy PNA-t nevezte el. Érthetetlen módon azóta peptid-nukleinsavnak nevezték el.
A PNA-t soha nem találták meg a természetben. De szinte úgy viselkedik, mint a DNS. A PNA-szál akár a DNS-molekula egyik szálának helyére is léphet, és a bázisok szokásos módon párosulnak. Sőt, a PNA kettős spirálba fordulhat, mint például a DNS.
Stanley Miller izgatott volt. Mélyen szkeptikusnak tekintve az RNS-világot, azt gyanította, hogy a PNA sokkal valószínűbb jelölt az első genetikai anyaghoz.
2000-ben néhány szilárd bizonyítékot szolgáltatott. Addigra már 70 éves volt, és több stroke-ot szenvedett, amelyek ápolási otthonba küldhetik, de nem adta fel. Megismételte klasszikus kísérletét, amelyet az első fejezetben tárgyaltunk, ezúttal metán, nitrogén, ammónia és víz felhasználásával - és kapott egy poliamid alapú PNA-t.
Ez arra utalt, hogy a PNA, az RNS-szel ellentétben, alaposan kialakulhatott volna a korai Földön.
Threose nukleinsav molekula
Más vegyészek jöttek létre saját alternatív nukleinsavakkal.
2000-ben Albert Eschenmoser készített threose nukleinsavat (TNK). Ugyanaz a DNS, de más cukorral a bázisban. A TNC láncok kettős spirált képezhetnek, és az információt mindkét irányban másolják az RNS és a TNK között.
Ezenkívül a TNC-k összetett formákba hajlamosak, és akár fehérjékhez is kötődhetnek. Ez arra utal, hogy a TNK enzimként működhet, mint például az RNS.
2005-ben Eric Megges készített egy glikolos nukleinsavat, amely spirális struktúrákat képezhet.
Ezen alternatív nukleinsavak mindegyikének megvan a maga elősegítői. De a természetben nincsenek nyomaik, tehát ha az első élet valóban felhasználta őket, akkor valamikor el kellett hagynia őket az RNS és a DNS javára. Ez lehet igaz, de nincs bizonyíték.
Ennek eredményeként a 2000-es évek közepére az RNS-világ támogatói vészhelyzetbe kerültek.
Egyrészt léteztek az RNS enzimek, és magukban foglalják a biológiai tervezés egyik legfontosabb részét, a riboszómát. Jó.
De az önreplikáló RNS-t nem találták, és senki sem tudta megérteni, hogyan alakult ki az RNS az ősi levesben. Az alternatív nukleinsavak megoldhatják az utóbbi problémát, de nincs bizonyíték arra, hogy természetükben léteztek. Nem túl jó.
A nyilvánvaló következtetés az volt, hogy az "RNS-világ" vonzereje ellenére mítosznak bizonyult.
Eközben egy másik elmélet fokozatosan lendületet kapott az 1980-as évek óta. Támogatói azt állítják, hogy az élet nem RNS-sel, DNS-sel vagy más genetikai anyaggal kezdődött. Ehelyett az energia hasznosítási mechanizmusával kezdődött.
Az életnek energiára van szüksége ahhoz, hogy életben maradjon
ILYA KHEL
- Az első rész: Hogyan készítsünk egy sejtet -
- Második rész: A felosztás a tudósok körében -
- Negyedik rész: a protonok energiája -
- Ötödik rész: hogyan lehet létrehozni egy cellát? -
- Hatodik rész: A nagy egyesülés -