Ako sa životu podarilo spojiť nespočetné množstvo častí? Prvé formy života na Zemi prinajmenšom potrebovali spôsob, ako ukladať a reprodukovať informácie. Iba potom môžu sami vytvárať kópie a šíriť sa po celom svete. Možno, že chémia hrala oveľa dôležitejšiu úlohu v pôvode života, ako sa pôvodne myslelo.
Jednou z najvplyvnejších hypotéz je to, že všetko začalo s RNA, molekulou, ktorá dokáže súčasne zaznamenávať genetické záznamy a spúšťať chemické reakcie. Hypotéza „sveta RNA“sa prejavuje v mnohých formách, ale podľa najtradičnejšieho života sa život začal tvorbou molekuly RNA schopnej reprodukcie. Jej potomkovia si vyvinuli schopnosť vykonávať mnoho úloh, napríklad vyrábať nové zlúčeniny a ukladať energiu. Postupom času nasledoval ťažký život.
Vedci však zistili, že v laboratóriu je prekvapivo ťažké vytvoriť samoreplikujúcu sa RNA. Uspeli, ale doteraz pripravené kandidátne molekuly môžu reprodukovať iba RNA určitej sekvencie alebo dĺžky. Okrem toho samotné tieto molekuly RNA sú dosť zložité, čo vyvoláva otázky o tom, ako by sa mohli vytvoriť v dôsledku chemickej nehody.
Nick Hud, chemik na Technologickom inštitúte v Gruzínsku a jeho kolegovia sa rozhodli ísť nad rámec biológie a študovať možnú úlohu chémie v pôvode života. Možno ešte pred vznikom biológie existovalo počiatočné štádium proto-života, v ktorom iba chemické procesy vytvorili „bufet“RNA a molekúl podobných RNA. „Myslím, že bolo dosť krokov, ktoré viedli k samoreprodukujúcemu sa sebestačnému systému,“hovorí Hud.
V tomto scenári by sa mohli spontánne tvoriť rôzne molekuly podobné RNA, čo pomôže chemickému bujónu súčasne vymyslieť mnoho detailov potrebných na rozvoj života. Proto-life formy experimentované s primitívnym molekulárnym inžinierstvom, rozoberajúce ho kúsok po kúsku. Celý systém fungoval ako obrovský rozdrvenie. Samoplikujúca sa RNA sa objavila až vtedy, keď bol zavedený taký systém.
V centre Hudovho návrhu sú chemické prostriedky na vytvorenie tak bohatej rozmanitosti proto-života. Počítačové simulácie ukazujú, že určité chemické podmienky môžu produkovať rozmanitú zbierku molekúl podobných RNA. Tím v súčasnosti testuje tento nápad so skutočnými molekulami v laboratóriu a dúfa, že čoskoro predstaví výsledky.
Hudova skupina pripravuje cestu pre množstvo vedcov, ktorí spochybňujú tradičnú hypotézu sveta RNA a jej závislosť od biologického, nie chemického, vývoja. V tradičnom modeli sa nové molekulárne inžinierstvo vytvorilo pomocou biologických katalyzátorov - enzýmov - ako je tomu v prípade moderných buniek. Počas Hudovho proto-life štádia sa mohli čisto chemické prostriedky tvoriť a meniť nespočetné množstvo RNA alebo molekúl podobných RNA. „Chemická evolúcia mohla pomôcť začať život bez enzýmov,“hovorí Hud.
Propagačné video:
Hud a jeho kolegovia sa rozhodli ísť ešte ďalej a predpokladať, že ribozóm, jediný kus biologického inžinierstva prítomný vo všetkých živých veciach, vyšiel výlučne z chémie. Toto je neobvyklý spôsob pohľadu na veci, pretože mnohí veria, že ribozóm sa narodil v biológii.
Ak Hudov tím dokáže vytvoriť formy proto-života v podmienkach, ktoré mohli existovať na začiatku Zeme, dá sa predpokladať, že chemická evolúcia mohla hrať oveľa dôležitejšiu úlohu pri vzniku života, ako očakávali vedci. „Darwinovskej evolúcii mohla predchádzať jednoduchšia forma evolúcie,“hovorí Niels Lehman, biochemik na Portlandskej univerzite v Oregone.
Predarvinský svet
Keď väčšina premýšľa o evolúcii, prichádza na myseľ darwinovská evolúcia, v ktorej organizmy navzájom súťažia o obmedzené zdroje a odovzdávajú genetické informácie svojim potomkom. Každá generácia prechádza genetickými korekciami a najúspešnejší potomok prežije, aby preniesol svoje gény. Tento spôsob evolúcie prevláda v modernom živote.
Renomovaný biológ Karl Woese, ktorý nám dal moderný strom života, veril, že darwinovskej dobe predchádzala raná fáza života, ktorej vládli úplne odlišné vývojové sily. Woese veril, že pre jednu bunku by bolo takmer nemožné získať všetko, čo potrebuje k životu. Preto si predstavil bohatú škálu molekúl zapojených do komunálnej existencie. Namiesto toho, aby si navzájom konkurovali, primitívne bunky zdieľali molekulárne inovácie. Tento predarwinistický vývar vytvoril ingrediencie potrebné pre komplexný život a pripravil pôdu pre úžasné zverinec, ktoré dnes vidíme na Zemi.
Hudov model posunie Woeseovu predarwinovskú časovú víziu ešte ďalej v čase a poskytuje primitívnym bunkám chemické prostriedky na vytvorenie molekulárnej diverzity. Jedna forma proto-života by mohla navrhnúť spôsob, ako vytvoriť bloky potrebné na vytvorenie seba, iná by mohla nájsť spôsob, ako získať energiu. Tento model sa líši od tradičnej hypotézy sveta RNA v jeho závislosti skôr od chemickej než biologickej evolúcie.
Vo svete RNA sa prvé molekuly RNA rozmnožovali pomocou zabudovaného enzýmu ribozým, ktorý sa skladá z RNA. Vo svete Hudovho proto-života bola táto úloha vykonávaná výlučne chemickými metódami. Príbeh začína chemickou polievkou molekúl podobných RNA. Väčšina z nich bola krátka, pretože krátke reťazce by sa s najväčšou pravdepodobnosťou vytvorili spontánne, ale mohli by existovať aj dlhšie komplexné molekuly. Hudov model opisuje, ako by sa mohli molekuly dlhšie reprodukovať bez pomoci enzýmu.
Hud verí, že v prebiotickom svete prešiel primárny bujón RNA pravidelnými cyklami zahrievania a chladenia a stal sa hustým a viskóznym. Teplo spojilo viazané páry RNA a viskózny roztok udržoval molekuly na chvíľu. Medzitým sú ku každému dlhému vláknu pripojené malé segmenty RNA, dlhé iba niekoľko znakov. Tieto malé segmenty boli postupne zošité dohromady, čím sa vytvorilo nové vlákno RNA zodpovedajúce pôvodnému dlhému vláknu. Potom sa cyklus znova začal.
Chemické dráhy replikácie RNA
Postupom času, keď sa vývar rôznych molekúl podobných RNA rozširoval a rástol, získali niektoré z nich jednoduché funkcie, ako je metabolizmus. Podobne by čisté chemické reakcie mohli spôsobiť molekulárnu diverzitu a vytvoriť predarwinovskú hojnosť woézskeho proto-života.
Hudovej skupine sa podarilo dokončiť počiatočné štádiá reprodukčného procesu v laboratóriu, hoci sa ešte nenaučili, ako prilepiť krátke segmenty bez použitia biologických nástrojov. Ak dokážu prekonať túto prekážku, vytvoria univerzálny spôsob reprodukcie RNA.
Niektorí vedci však pochybujú, že chemicky sprostredkovaná reprodukcia bude dosť dobrá na reprodukciu predarwinovského sveta, ktorý popisuje Hud. „Neviem, či tomu verím,“hovorí Paul Higgs, biofyzik na McMaster University v Hamiltonu, Ontário, ktorý študuje pôvod života. „Všetko sa musí udiať rýchlo a presne, aby sa dosiahla konzistentnosť.“To znamená, že tento proces musí produkovať nové RNA rýchlejšie ako sú zničené a dostatočne presné na vytvorenie približných kópií molekúl templátu.
Samotné chemické zmeny nestačia na dosiahnutie života. Vývar proto-života stále potreboval nejaký druh selekcie, ktorý by zaistil, že prospešné molekuly budú prosperovať a množiť sa. Vo svojom modeli Hadaova skupina naznačuje, že najjednoduchšie proto-enzýmy sa mohli objaviť a šíriť, čo začalo ťažiť ich tvorcom a celej spoločnosti. Napríklad molekula RNA, ktorá produkovala viac stavebných blokov, prospela sebe a svojim susedom tým, že im poskytla ďalšie suroviny na reprodukciu. Počítačové simulácie vykonané Hudovou skupinou ukázali, že tento typ molekuly by sa mohol dobre zakoreniť. Ten, kto obohacuje vývar, je veľmi užitočný.
Ribozomálne korene
Jeden možný pohľad na predarwinovský svet je možné vidieť v ribozóme, starom kuse molekulárneho aparátu, ktorý je základom nášho genetického kódu. Je to enzým, ktorý prevádza RNA, ktorá kóduje genetické informácie, na proteíny, ktoré v našich bunkách vykonávajú mnohé chemické reakcie.
Ribozómové jadro je zložené z RNA. Týmto je ribozóm jedinečný - veľkú väčšinu enzýmov v našich bunkách tvoria proteíny. Ribozomálne jadro aj genetický kód sú spoločné pre všetky živé bytosti, čo naznačuje ich existenciu na úplnom začiatku vývoja života, pravdepodobne ešte pred prekročením darwinovského prahu.
Hud a jeho kolega Lauren Williams, tiež z firmy Georgia Tech, poukazujú na to, že ribozóm podporuje ich teóriu chemicky definovaného sveta. V dokumente uverejnenom minulý rok vydali kontroverzné vyhlásenie: jadro ribozómu bolo vytvorené chemickou evolúciou. A tiež navrhli, že sa objavil ešte pred objavením sa prvej samoreplikujúcej sa molekuly RNA. Ribozomálne jadro mohlo byť úspešným experimentom v chemickej evolúcii. A potom, čo zakorenil v predarwinovskom vývare, prekročil darwinovský prah a stal sa dôležitou súčasťou celého života.
Ich argument sa opiera o relatívnu jednoduchosť ribozomálneho jadra, formálne známeho ako peptidyltransferázové centrum (PTC). Úlohou PTC je dať dohromady aminokyseliny, stavebné bloky proteínov. Na rozdiel od tradičných enzýmov, ktoré urýchľujú chemické reakcie pomocou „šikovných chemických trikov“, funguje ako vysúšadlo. Presvedčí dve aminokyseliny, aby sa spojili jednoduchým odstránením molekuly vody. "Je to taký zlý spôsob, ako oživiť reakciu," hovorí Lehman. „Bielkovinové enzýmy sa zvyčajne spoliehajú na silnejšie chemické stratégie.“
Lehman poznamenáva, že jednoduchosti pravdepodobne predchádzala moc v najskorších etapách života. „Keď uvažujete o pôvode života, musíte najskôr myslieť na jednoduchú chémiu; každý proces najjednoduchšej chémie bude pravdepodobne staroveký, hovorí. „Myslím si, že je to presvedčivejší argument ako skutočnosť, že patrí do celého života.“
Napriek silným dôkazom je stále ťažké predstaviť si, ako by sa ribozomálne jadro mohlo vytvoriť v dôsledku chemickej evolúcie. Enzým, ktorý sa viac sám o sebe - ako replikátor RNA vo svetovej hypotéze RNA - automaticky vytvára uzavretá slučka, neustále zvyšujúca svoju vlastnú produktivitu. Na rozdiel od toho ribozomálne jadro nevytvára viac ribozomálnych jadier. Produkuje náhodné reťazce aminokyselín. Nie je jasné, ako by tento proces mal stimulovať produkciu väčšieho množstva ribozómov.
Hud a jeho kolegovia špekulovali, že RNA a proteíny sa vyvíjali v tandeme, a kto prišiel na to, ako spolupracovať, prežil. Táto myšlienka postráda jednoduchosť sveta RNA, ktorý predpokladá existenciu jedinej molekuly schopnej simultánneho kódovania informácií a katalyzovania chemických reakcií. Ale Hud verí inak: je to zložitosť, ktorá dodáva elegancii vznik života.
„Myslím si, že sa vždy kládol veľký dôraz na jednoduchosť, že jeden polymér je lepší ako dva,“hovorí. „Môže byť jednoduchšie získať konkrétne reakcie, ak tieto dva polyméry spolupracujú. Pre polyméry mohlo byť jednoduchšie spolupracovať od začiatku. “
Na základe materiálov z časopisu Quanta