- Pirmā daļa: Kā izveidot šūnu -
- Otrā daļa: Sadalījums zinātnieku rindās -
- Ceturtā daļa: protonu enerģija -
- Piektā daļa: kā jūs izveidojat šūnu? -
- Sestā daļa: Lielā apvienošanās -
Tātad pēc 1960. gadiem zinātnieki, cenšoties izprast dzīves izcelsmi, sadalījās trīs grupās. Daži no viņiem bija pārliecināti, ka dzīve sākas ar bioloģisko šūnu primitīvu versiju veidošanos. Citi uzskatīja, ka metabolisma sistēma ir galvenais pirmais solis, bet citi koncentrējās uz ģenētikas un replikācijas nozīmi. Šī pēdējā grupa sāka izdomāt, kā varētu izskatīties pirmais replikētājs, pieņemot, ka tas ir izgatavots no RNS.
Jau 60. gados zinātniekiem bija iemesls uzskatīt, ka RNS ir visas dzīvības avots.
Jo īpaši RNS var darīt kaut ko tādu, ko DNS nespēj. Tā ir vienas šķiedras molekula, tāpēc atšķirībā no stingras, divpakāpju DNS, tā var salocīties vairākās dažādās formās.
Līdzīgi kā origami, salokāmā RNS parasti bija līdzīga uzvedībā ar olbaltumvielām. Olbaltumvielas lielākoties ir arī garas - tikai aminoskābju, nevis nukleotīdu - ķēdes, un tas ļauj tām izveidot sarežģītas struktūras.
Tas ir atslēga uz pārsteidzošākajām olbaltumvielu spējām. Daži no tiem var paātrināt vai “katalizēt” ķīmiskās reakcijas. Šādi proteīni ir pazīstami kā fermenti.
Daudzus fermentus var atrast jūsu zarnās, kur tie sadala sarežģītās molekulas no pārtikas vienkāršiem cukura veidiem, kurus jūsu šūnas var izmantot. Būtu neiespējami dzīvot bez fermentiem.
Leslijs Orgels un Frančs Kriks sāka kaut ko turēt aizdomās. Ja RNS var salocīties kā olbaltumviela, varbūt tā var veidot fermentus? Ja tā būtu taisnība, tad RNS varētu būt oriģināla - un universāla - dzīvā molekula, kas uzglabā informāciju, kā to dara DNS, un katalizē reakcijas, kā to dara daži proteīni.
Tā bija lieliska ideja, taču desmit gadu laikā tā nav ieguvusi nevienu pierādījumu.
Reklāmas video:
Tomass Čeks, 2007. gads
Tomass Čečs ir dzimis un audzis Aiovā. Būdams bērns, viņš aizrāvās ar akmeņiem un minerāliem. Un jau vidusskolā viņš apskatīja vietējo universitāti un klauvēja pie ģeologu durvīm ar lūgumu parādīt minerālu struktūru modeļus.
Tomēr viņš galu galā kļuva par bioķīmiķi un koncentrējās uz RNS.
Astoņdesmito gadu sākumā Cehs un kolēģi Kolorādo universitātē Boulderā pētīja vienšūnu organismu Tetrahymena thermophila. Daļā tās šūnu mašīnu ietilpst RNS šķipsnas. Cehs atklāja, ka viens RNS segments ir kaut kā atdalīts no pārējiem, it kā tas būtu izgriezts ar šķērēm.
Kad zinātnieki izņēma visus fermentus un citas molekulas, kas varētu darboties kā molekulu šķēres, RNS turpināja izdalīties. Tātad viņi atrada pirmo RNS enzīmu: īsu RNS gabalu, kas var izgriezties no garās virknes, kuras daļa tā ir.
Cehs publicēja sava darba rezultātus 1982. gadā. Nākamajā gadā cita zinātnieku grupa atklāja otru RNS enzīmu “ribozīmu” (saīsināti “ribonukleīnskābe” un “enzīms”, aka enzīms). Divu RNS enzīmu atklāšana viens pēc otra norādīja, ka jābūt vēl daudziem. Un tā ideja sākt dzīvi ar RNS sāka izskatīties pamatīga.
Tomēr šīs idejas vārdu deva Valters Gilberts no Hārvarda universitātes Kembridžā, Masačūsetsā. Būdams fiziķis ar aizraušanos ar molekulāro bioloģiju, Gilberts kļuva arī par vienu no agrīnajiem cilvēka genoma sekvences atbalstītājiem.
1986. gadā Gilberts žurnālā Nature rakstīja, ka dzīve sākusies "RNS pasaulē".
Pirmais evolūcijas posms, pēc Gilberta domām, sastāvēja no "RNS molekulām, kas veic katalītisko aktivitāti, kas nepieciešama, lai samontētu sevi nukleotīdu buljonā". Kopējot un ielīmējot dažādus RNS bitus, RNS molekulas varētu radīt vēl noderīgākas sekvences. Visbeidzot, viņi atrada veidu, kā radīt olbaltumvielas un olbaltumvielu fermentus, kas izrādījās tik noderīgi, ka tie lielā mērā aizstāja RNS versijas un radīja dzīvi mums.
RNA pasaule ir elegants veids, kā atjaunot sarežģīto dzīvi no nulles. Tā vietā, lai paļautos uz vienlaicīgu vairāku desmitu bioloģisko molekulu veidošanos no pirmatnējās zupas, darbu varētu paveikt “viena visiem” molekula.
2000. gadā RNS pasaules hipotēze saņēma kolosālu apstiprinošo pierādījumu paketi.
Ribosoma veido olbaltumvielas
Tomass Steics pavadīja 30 gadus, pētot molekulu struktūru dzīvās šūnās. Deviņdesmitajos gados viņš veltīja sevi visnopietnākajam uzdevumam: izdomāt ribosomas struktūru.
Katrā dzīvā šūnā ir ribosoma. Šī milzīgā molekula lasa instrukcijas RNS un sakārto aminoskābes olbaltumvielu iegūšanai. Jūsu šūnās esošās ribosomas ir veidojušas lielāko daļu jūsu ķermeņa.
Bija zināms, ka ribosoma satur RNS. Bet 2000. gadā Steicsa komanda izveidoja detalizētu ribosomu struktūras attēlu, kas parādīja, ka RNS bija ribosomas katalītiskais kodols.
Tas bija svarīgi, jo ribosoma ir dzīvībai ļoti svarīga un vienlaikus ļoti sena. Fakts, ka šī būtiskā mašīna tika uzbūvēta uz RNS, padarīja RNS pasaules hipotēzi vēl ticamāku.
Triumfēja "RNS pasaules" atbalstītāji, un 2009. gadā Šteice saņēma daļu no Nobela prēmijas. Bet kopš tā laika zinātnieki ir sākuši šaubīties. Jau pašā sākumā idejai par "RNS pasauli" bija divas problēmas. Vai RNS patiešām varētu veikt visas dzīves funkcijas atsevišķi? Vai tas varēja veidoties uz agrīnās Zemes?
Ir pagājuši 30 gadi kopš Gilberts ir licis pamatus "RNS pasaulei", un mēs joprojām neesam atraduši pārliecinošus pierādījumus tam, ka RNS var darīt visu, ko no tā prasa teorija. Tā ir maza izveicīga molekula, taču tā var nebūt spējīga visu izdarīt.
Viens bija skaidrs. Ja dzīve sākās ar RNS molekulu, RNS bija jāspēj no sevis izgatavot kopijas: tai bija jābūt pašreplikējošai, pašreplikējošai.
Bet neviens no zināmajiem RNS nevar pats atkārtoties. Tā ir arī DNS. Viņiem nepieciešams enzīmu un citu molekulu bataljons, lai izveidotu RNS vai DNS kopiju vai gabalu.
Tāpēc astoņdesmito gadu beigās vairāki zinātnieki sāka ļoti quixotiskus meklējumus. Viņi nolēma paši izveidot replicējošu RNS.
Džeks Šostaks
Džeks Šostaks no Hārvardas Medicīnas skolas bija viens no pirmajiem, kurš tajā piedalījās. Būdams bērns, viņš tik ļoti aizrāvās ar ķīmiju, ka savas mājas pagrabā sāka laboratoriju. Neievērojot savu drošību, viņš reiz pat uzsāka sprādzienu, pēc kura griestiem bija iestrēdzis stikla caurule.
Astoņdesmito gadu sākumā Šostaks palīdzēja parādīt, kā gēni pasargā sevi no novecošanās procesa. Šis diezgan agrīnais pētījums galu galā ieguva viņam Nobela prēmijas daļu. Tomēr ļoti drīz viņš apbrīnoja Ceča RNS fermentus. “Es domāju, ka šis darbs bija satriecošs,” viņš saka. "Principā ir pilnīgi iespējams, ka RNS katalizē savu reprodukciju."
1988. gadā Cehs atklāja RNS enzīmu, kas var veidot īsu RNS molekulu, kuras garums ir 10 nukleotīdi. Šostaks nolēma uzlabot šo atklājumu, laboratorijā ražojot jaunus RNS fermentus. Viņa komanda izveidoja izlases secību kopu un pārbaudīja, vai kādai no tām piemīt katalītiskās spējas. Tad viņi paņēma šos secības, pārstrādāja tos un vēlreiz pārbaudīja.
Pēc 10 šādu darbību kārtām Šostaks ražoja RNS enzīmu, kas septiņus miljonus reižu paātrināja reakciju. Viņš parādīja, ka RNS fermenti var būt patiešām spēcīgi. Bet viņu ferments nespēja sevi nokopēt, pat nedaudz. Šostaks bija strupceļā.
Varbūt dzīve nesākās ar RNS
Nākamo lielo soli spēra 2001. gadā bijušais Šostakas students Deivids Bārtels no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta Kembridžā. Bārtels izveidoja R18 RNS enzīmu, kas, pamatojoties uz esošo šablonu, varēja pievienot jaunus nukleotīdus RNS virknei. Citiem vārdiem sakot, viņš nepievienoja izlases nukleotīdus: viņš pareizi kopēja secību.
Kamēr tas vēl nebija pašreplikators, bet jau kaut kas līdzīgs. R18 sastāvēja no 189 nukleotīdu ķēdes un droši varēja ķēdē pievienot 11 nukleotīdus: 6% no paša garuma. Tika cerēts, ka daži uzlabojumi ļaus viņam izveidot 189 nukleotīdu ķēdi - tāpat kā viņš pats.
Vislabāk to izdarīja Filips Holligers 2011. gadā no Molekulārās bioloģijas laboratorijas Kembridžā. Viņa komanda izveidoja modificētu R18 ar nosaukumu tC19Z, kas kopēja secības līdz 95 nukleotīdu garumā. Tas ir 48% no paša garuma: vairāk nekā R18, bet tālu no 100%.
Alternatīvu pieeju ierosināja Džeralds Džoiss un Tracy Linkolns no Scripps institūta La Jolla, Kalifornijā. 2009. gadā viņi izveidoja RNS enzīmu, kas netieši replicējas. Viņu ferments apvieno divus īsus RNS gabalus, lai izveidotu otru fermentu. Pēc tam tas apvieno pārējos divus RNS gabalus, lai atjaunotu sākotnējo fermentu.
Ņemot vērā izejvielu pieejamību, šo vienkāršo ciklu var turpināt bezgalīgi. Bet fermenti darbojās tikai tad, kad viņiem tika ievadītas pareizās RNS šķipsnas, kas Džoisa un Linkolna bija jādara.
Daudziem zinātniekiem, kuri skeptiski vērtē RNS pasauli, šīs hipotēzes liktenīga problēma ir pašreplikējošu RNS trūkums. RNS, acīmredzot, vienkārši nevar uzņemties un sākt dzīvi.
Problēmu sarežģīja arī ķīmiķu nespēja radīt RNS no nulles. Tā šķistu vienkārša molekula, salīdzinot ar DNS, taču to ir ārkārtīgi grūti izgatavot.
Problēma slēpjas cukurā un bāzē, kas veido katru nukleotīdu. Jūs varat darīt katru no tiem atsevišķi, bet viņi spītīgi atsakās iesaistīties. Līdz 1990. gadu sākumam šī problēma bija kļuvusi acīmredzama. Daudzi biologi ir raduši aizdomas, ka hipotēze "RNS pasaule", neskatoties uz visu tās pievilcību, var nebūt pilnīgi pareiza.
Tā vietā uz agrīnās Zemes varēja būt cits cita veida molekula: kaut kas vienkāršāks par RNS, kas faktiski varētu sevi uzņemt no pirmatnējās zupas un sākt pats atkārtoties. Vispirms varētu būt šī molekula, kas pēc tam noveda pie RNS, DNS un tā tālāk.
DNS diez vai varēja izveidoties uz Zemes
1991. gadā Pēteris Nīlsens no Kopenhāgenas universitātes Dānijā nāca klajā ar primāro replikatoru kandidātu.
Būtībā tā bija stipri pārveidota DNS versija. Nīlsens turēja tās pašas bāzes - A, T, C un G -, kas atrodamas DNS, bet izveidoja mugurkaulu no molekulām, ko sauc par poliamīdiem, nevis no cukuriem, kas atrodami arī DNS. Viņš nosauca jauno molekulu poliamīda nukleīnskābi jeb PNA. Nesaprotamā veidā kopš tā laika tas ir kļuvis pazīstams kā peptīdu nukleīnskābe.
PNA nekad nav atrasts dabā. Bet tas uzvedas gandrīz kā DNS. PNA virkne var aizstāt pat vienu no DNS molekulas virzieniem, un bāzes tiek sapārotas kā parasti. Turklāt PNA var savīties dubultā spirālē, piemēram, DNS.
Stenlijs Millers bija ieintriģēts. Dziļi skeptiski vērtējot RNS pasauli, viņam radās aizdomas, ka PNA ir daudz ticamāks kandidāts uz pirmo ģenētisko materiālu.
2000. gadā viņš iesniedza dažus pamatotus pierādījumus. Līdz tam brīdim viņam jau bija apritējis 70 gadi un viņš bija piedzīvojis vairākus insultus, kas varēja viņu nosūtīt uz pansionātu, taču viņš nepadevās. Viņš atkārtoja savu klasisko eksperimentu, kuru mēs apspriedām pirmajā nodaļā, šoreiz izmantojot metānu, slāpekli, amonjaku un ūdeni - un ieguva poliamīda bāzes PNA.
Tas liek domāt, ka PNA, atšķirībā no RNS, varētu būt izveidojies uz agrīnās Zemes.
Threose nukleīnskābju molekula
Citi ķīmiķi ir nākuši klajā ar savām alternatīvajām nukleīnskābēm.
Alberts Eschenmosers 2000. gadā izgatavoja treozes nukleīnskābi (TNK). Tā ir viena un tā pati DNS, bet ar atšķirīgu cukuru pie pamatnes. TNC ķēdes var veidot dubultu spirāli, un informācija tiek kopēta abos virzienos starp RNS un TNK.
Turklāt TNC var salocīt sarežģītās formās un pat saistīties ar olbaltumvielām. Tas norāda, ka TNK var darboties kā enzīms, piemēram, RNS.
2005. gadā Ēriks Megges izgatavoja glikolskābes nukleīnskābi, kas var veidot spirālveida struktūras.
Katrai no šīm alternatīvajām nukleīnskābēm ir savi atbalstītāji. Bet dabā nevar atrast nekādas pēdas no tiem, tāpēc, ja pirmā dzīve tos tiešām izmantoja, tad kādā brīdī nācās no tiem pilnībā atteikties par labu RNS un DNS. Tā var būt taisnība, bet pierādījumu nav.
Tā rezultātā līdz 2000. gadu vidum RNA pasaules atbalstītāji nonāca strīdā.
No vienas puses, RNS fermenti pastāvēja un ietvēra vienu no svarīgākajām bioloģiskās inženierijas sastāvdaļām - ribosomu. Labi.
Bet pašreplicējošu RNS neatrada, un neviens nevarēja saprast, kā RNS veidojas pirmatnējā zupā. Alternatīvas nukleīnskābes varētu atrisināt pēdējo problēmu, taču nav pierādījumu, ka tās pastāvēja dabā. Nav ļoti labs.
Acīmredzams secinājums bija tāds, ka "RNS pasaule", neskatoties uz pievilcību, izrādījās mīts.
Tikmēr kopš 1980. gadiem pakāpeniski pieauga atšķirīga teorija. Tās atbalstītāji apgalvo, ka dzīve nesākās ar RNS, DNS vai citu ģenētisko materiālu. Tā vietā tas sākās ar enerģijas izmantošanas mehānismu.
Dzīvei nepieciešama enerģija, lai paliktu dzīva
ILYA KHEL
- Pirmā daļa: Kā izveidot šūnu -
- Otrā daļa: Sadalījums zinātnieku rindās -
- Ceturtā daļa: protonu enerģija -
- Piektā daļa: kā jūs izveidojat šūnu? -
- Sestā daļa: Lielā apvienošanās -