- Prvá časť: Ako vytvoriť bunku -
- Druhá časť: Rozdelenie v radoch vedcov -
- Štvrtá časť: energia protónov -
- Piata časť: ako teda vytvoríte bunku? -
- Šiesta časť: Veľké zjednotenie -
Po 60. rokoch sa vedci snažiaci sa pochopiť pôvod života rozdelili do troch skupín. Niektorí z nich boli presvedčení, že život sa začal tvorbou primitívnych verzií biologických buniek. Iní verili, že metabolický systém je kľúčovým prvým krokom, zatiaľ čo iní sa zameriavajú na dôležitosť genetiky a replikácie. Táto posledná skupina začala zisťovať, ako by mohol vyzerať prvý replikátor, za predpokladu, že bol vyrobený z RNA.
Už v 60. rokoch mali vedci dôvod domnievať sa, že RNA bola zdrojom všetkého života.
Najmä RNA môže urobiť niečo, čo DNA nemôže. Je to jednovláknová molekula, takže na rozdiel od rigidnej dvojreťazcovej DNA sa môže zložiť do niekoľkých rôznych tvarov.
Podobne ako origami, skladacia RNA bola vo všeobecnosti podobná ako proteíny. Proteíny sú tiež väčšinou dlhé reťazce - iba aminokyseliny, nie nukleotidy - a to im umožňuje vytvárať komplexné štruktúry.
To je kľúč k najúžasnejšej schopnosti proteínov. Niektoré z nich môžu urýchliť alebo „katalyzovať“chemické reakcie. Takéto proteíny sú známe ako enzýmy.
Vo vašich črevách sa nachádza veľa enzýmov, kde rozkladajú komplexné molekuly z potravy na jednoduché typy cukrov, ktoré môžu vaše bunky použiť. Bolo by nemožné žiť bez enzýmov.
Leslie Orgel a Frances Crick začali niečo podozriť. Ak sa RNA môže zložiť ako proteín, možno môže tvoriť enzýmy? Keby to bola pravda, potom by RNA mohla byť pôvodnou - a univerzálnou - živou molekulou, ukladajúcou informácie, ako to robí DNA teraz, a katalyzujú reakcie, ako to robia niektoré proteíny.
Bol to skvelý nápad, ale za desať rokov sa nenašiel žiadny dôkaz.
Propagačné video:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech sa narodil a vyrastal v Iowe. Ako dieťa ho fascinovali skaly a minerály. Už na strednej škole sa pozrel na miestnu univerzitu a zaklopal na dvere geológov so žiadosťou ukázať modely minerálnych štruktúr.
Nakoniec sa však stal biochemikom a zameriaval sa na RNA.
Začiatkom osemdesiatych rokov minulého storočia študovali Cech a jeho kolegovia z University of Colorado v Boulderi jednobunkový organizmus Tetrahymena thermophila. Súčasťou jeho bunkového mechanizmu sú vlákna RNA. Čech zistil, že jediný segment RNA bol nejako oddelený od zvyšku, akoby bol vyrezaný nožnicami.
Keď vedci odstránili všetky enzýmy a ďalšie molekuly, ktoré mohli pôsobiť ako molekulárne nožnice, RNA sa naďalej vylučovala. Našli teda prvý enzým RNA: krátky kúsok RNA, ktorý sa môže vystrihnúť z dlhého vlákna, ktorého je súčasťou.
Výsledky svojej práce publikoval v roku 1982. Nasledujúci rok objavila ďalšia skupina vedcov druhý enzým RNA, "ribozým" (skratka pre "kyselinu ribonukleovú" a "enzým", aka enzým). Objav dvoch RNA enzýmov jeden po druhom naznačil, že musí existovať omnoho viac. A tak myšlienka na začatie života s RNA začala vyzerať solídne.
Názov tejto myšlienky však dostal Walter Gilbert z Harvardskej univerzity v Cambridge v štáte Massachusetts. Ako fyzik s fascináciou molekulárnou biológiou sa Gilbert tiež stal jedným z prvých zástancov sekvencovania ľudského genómu.
V roku 1986 Gilbert napísal v Nature, že život sa začal v „svete RNA“.
Gilbert tvrdil, že prvé štádium evolúcie pozostáva z „molekúl RNA vykonávajúcich katalytickú aktivitu nevyhnutnú na to, aby sa zhromaždili do vývaru nukleotidov“. Skopírovaním a prilepením rôznych bitov RNA dohromady by molekuly RNA mohli vytvoriť ešte užitočnejšie sekvencie. Nakoniec našli spôsob, ako vytvoriť proteíny a proteínové enzýmy, ktoré sa ukázali tak užitočné, že do značnej miery nahradili verzie RNA a poskytli život, ktorý máme.
RNA World je elegantný spôsob, ako obnoviť komplexný život od nuly. Namiesto spoliehania sa na súbežnú tvorbu desiatok biologických molekúl z pravekej polievky by mohla vykonať úlohu molekula „jedna pre všetkých“.
V roku 2000 dostala svetová hypotéza RNA obrovský kus podporných dôkazov.
Ribozóm vytvára proteíny
Thomas Steitz strávil 30 rokov štúdiom štruktúry molekúl v živých bunkách. V 90. rokoch sa venoval svojej najzávažnejšej úlohe: zisťovaniu štruktúry ribozómu.
V každej živej cele je ribozóm. Táto obrovská molekula číta pokyny v RNA a zaisťuje aminokyseliny na výrobu proteínov. Ribozómy vo vašich bunkách vytvorili väčšinu tela.
Bolo známe, že ribozóm obsahuje RNA. Ale v roku 2000 Steitzov tím vytvoril podrobný obraz štruktúry ribozómov, ktorý ukázal, že RNA je katalytickým jadrom ribozómu.
Bolo to dôležité, pretože ribozóm je zásadne dôležitý pre život a zároveň veľmi starý. Skutočnosť, že tento základný stroj bol postavený na RNA, ešte viac uľahčila hypotézu o svete vo svete.
Stúpenci "sveta RNA" zvíťazili av roku 2009 Steitz získal podiel Nobelovej ceny. Odvtedy však vedci začali pochybovať. Od samého začiatku mala myšlienka „sveta RNA“dva problémy. Mohla by RNA skutočne vykonávať všetky funkcie života sama? Mohlo sa to vytvoriť na začiatku Zeme?
Je to už 30 rokov, čo Gilbert položil základy pre „svet RNA“, a stále sme nenašli solídne dôkazy o tom, že by RNA mohla urobiť všetko, čo od nej vyžaduje teória. Je to malá zručná molekula, ale nemusí byť schopná urobiť všetko.
Jedna vec bola jasná. Ak život začal s molekulou RNA, RNA musela byť schopná vytvoriť si kópie: musela sa samoreprodukovať, samoreplikovať.
Ale žiadna zo známych RNA sa nemôže replikovať sama. Rovnako tak aj DNA. Potrebujú prápor enzýmov a iných molekúl, aby vytvorili kópiu alebo kúsok RNA alebo DNA.
Preto koncom osemdesiatych rokov začalo niekoľko vedcov veľmi quixotický quest. Rozhodli sa vytvoriť samoreprodukčnú RNA.
Jack Shostak
Jack Shostak z Harvardskej lekárskej fakulty sa ako prvý zúčastnil. Ako dieťa bol tak fascinovaný chémiou, že založil laboratórium v suteréne svojho domu. Zanedbával svoju vlastnú bezpečnosť a raz spustil explóziu, po ktorej uviazla v strope sklenená trubica.
Na začiatku osemdesiatych rokov pomohol Shostak ukázať, ako sa gény chránia pred procesom starnutia. Toto skôr skoré štúdium mu nakoniec prinieslo kus Nobelovej ceny. Veľmi skoro však obdivoval Cechove enzýmy RNA. "Myslel som, že táto práca bola úžasná," hovorí. „V zásade je možné, že RNA katalyzuje svoju vlastnú reprodukciu.“
V roku 1988, Cech objavil RNA enzým, ktorý dokáže zostaviť krátku molekulu RNA s dĺžkou 10 nukleotidov. Shostak sa rozhodol vylepšiť tento objav produkciou nových enzýmov RNA v laboratóriu. Jeho tím vytvoril súbor náhodných sekvencií a testoval, či nemá niektorá z nich katalytické schopnosti. Potom tieto sekvencie zobrali, prepracovali a znova ich otestovali.
Po 10 kolách týchto účinkov Shostak produkoval RNA enzým, ktorý urýchlil reakciu sedem miliónov krát. Ukázal, že RNA enzýmy môžu byť skutočne silné. Ale ich enzým sa nedokázal sám kopírovať, ani nepatrne. Shostak bol na slepej uličke.
Možno život nezačal s RNA
Ďalší veľký krok urobil v roku 2001 bývalý študent Shostaku David Bartel z Massachusetts Institute of Technology v Cambridge. Bartel vytvoril enzým R18 RNA, ktorý by mohol pridať nové nukleotidy k vláknu RNA na základe existujúceho templátu. Inými slovami, nepridával náhodné nukleotidy: kopíroval sekvenciu správne.
Aj keď to ešte nebol samoreplikátor, ale už niečo podobné. R18 pozostával z reťazca 189 nukleotidov a mohol spoľahlivo pridať do reťazca 11 nukleotidov: 6% svojej vlastnej dĺžky. Dúfalo sa, že niekoľko vylepšení by mu umožnilo vybudovať 189 nukleotidový reťazec - rovnako ako on.
Najlepšie urobil Philip Holliger v roku 2011 z Molecular Biology Laboratory v Cambridge. Jeho tím vytvoril modifikovaný R18 s názvom tC19Z, ktorý skopíroval sekvencie až do dĺžky 95 nukleotidov. To je 48% svojej vlastnej dĺžky: viac ako R18, ale ďaleko od 100%.
Alternatívny prístup navrhli Gerald Joyce a Tracy Lincoln z inštitútu Scripps Institute v La Jolla v Kalifornii. V roku 2009 vytvorili enzým RNA, ktorý sa nepriamo replikuje. Ich enzým kombinuje dva krátke kúsky RNA a vytvára druhý enzým. Potom kombinuje ďalšie dva kúsky RNA, aby sa znovu vytvoril pôvodný enzým.
Vzhľadom na dostupnosť surovín môže tento jednoduchý cyklus pokračovať donekonečna. Enzýmy však fungovali iba vtedy, keď dostali správne vlákna RNA, čo museli urobiť Joyce a Lincoln.
Pre mnohých vedcov, ktorí sú skeptickí voči „svetu RNA“, je nedostatok samoreplikujúcej sa RNA smrteľným problémom tejto hypotézy. RNA zrejme jednoducho nemôže vziať a začať život.
Tento problém sa znásobil aj tým, že chemici nevytvorili RNA od nuly. V porovnaní s DNA by to vyzeralo ako jednoduchá molekula, ale je mimoriadne ťažké ju vyrobiť.
Problém spočíva v cukre a báze, ktoré tvoria každý nukleotid. Môžete urobiť každý z nich samostatne, ale tvrdohlavo odmietajú zapojiť sa. Začiatkom 90. rokov sa tento problém prejavil. Mnoho biológov malo podozrenie, že hypotéza „sveta RNA“nemusí byť napriek svojej príťažlivosti úplne správna.
Namiesto toho mohol byť na začiatku Zeme nejaký iný typ molekuly: niečo jednoduchšie ako RNA, ktoré by sa skutočne mohlo vziať z pravekej polievky a začať sa replikovať. Najprv by mohla byť táto molekula, ktorá potom viedla k RNA, DNA a tak ďalej.
DNA sa na začiatku Zeme nemohla tvoriť
V roku 1991 prišiel Peter Nielsen z kodanskej univerzity v Dánsku s kandidátom na primárnych replikátorov.
Bola to v podstate silne modifikovaná verzia DNA. Nielsen si zachoval rovnaké bázy - A, T, C a G - nachádzajúce sa v DNA - ale vytvoril kostru skôr z molekúl nazývaných polyamidy, a nie z cukrov, ktoré sa nachádzajú aj v DNA. Názov novej molekuly polyamidovej nukleovej kyseliny alebo PNA. Nepochopiteľným spôsobom sa odvtedy stal známym ako peptidová nukleová kyselina.
PNA sa v prírode nikdy nenašla. Ale správa sa takmer ako DNA. PNA vlákno môže dokonca nahradiť jedno z vlákien DNA molekuly a bázy sú spárované ako obvykle. Okrem toho sa PNA môže stočiť do dvojitej špirály, napríklad DNA.
Stanley Miller bol zaujatý. Hlboko skeptický voči RNA sveta, mal podozrenie, že PNA je oveľa pravdepodobnejším kandidátom na prvý genetický materiál.
V roku 2000 predložil solídne dôkazy. V tom čase už mal 70 rokov a utrpel niekoľko úderov, ktoré ho mohli poslať do opatrovateľského domu, ale nevzdal sa. Opakoval svoj klasický experiment, o ktorom sme hovorili v prvej kapitole, tentoraz pomocou metánu, dusíka, amoniaku a vody - a získal polyamidovú bázu PNA.
Toto naznačovalo, že PNA sa na rozdiel od RNA mohla dobre vytvárať na ranej Zemi.
Molekula nukleovej kyseliny v Threose
Iní chemici prišli s vlastnými alternatívnymi nukleovými kyselinami.
V roku 2000 Albert Eschenmoser vyrobil treovú nukleovú kyselinu (TNK). Je to rovnaká DNA, ale s iným cukrom na základni. Reťazce TNC môžu tvoriť dvojitú špirálu a informácie sa skopírujú v oboch smeroch medzi RNA a TNK.
Okrem toho sa TNC môžu skladať do zložitých tvarov a dokonca sa môžu viazať na proteíny. To naznačuje, že TNK môže pôsobiť ako enzým, napríklad RNA.
V roku 2005 Eric Megges vyrobil glykolovú nukleovú kyselinu, ktorá môže vytvárať špirálové štruktúry.
Každá z týchto alternatívnych nukleových kyselín má svojich vlastných zástancov. V prírode sa však nenachádzajú žiadne stopy, takže ak ich prvý život skutočne využil, muselo sa ich v určitom okamihu úplne vzdať v prospech RNA a DNA. Môže to byť pravda, ale neexistujú žiadne dôkazy.
Výsledkom bolo, že v polovici dvadsiatych rokov sa priaznivci sveta RNA ocitli v márnici.
Na jednej strane RNA enzýmy existovali a obsahovali jednu z najdôležitejších častí biologického inžinierstva, ribozóm. Dobre.
Samoreplikujúca sa RNA však nebola nájdená a nikto nedokázal pochopiť, ako sa RNA vytvorila v pravekej polievke. Posledné uvedené problémy by mohli vyriešiť alternatívne nukleové kyseliny, ale neexistuje dôkaz, že by existovali v prírode. Nie veľmi dobre.
Zrejmým záverom bolo, že „svet RNA“sa napriek jeho príťažlivosti ukázal ako mýtus.
Medzitým sa od 80-tych rokov postupne začala rozvíjať iná teória. Jej priaznivci tvrdia, že život sa nezačal RNA, DNA alebo iným genetickým materiálom. Namiesto toho to začalo s mechanizmom na využitie energie.
Život potrebuje energiu, aby zostal nažive
ILYA KHEL
- Prvá časť: Ako vyrobiť bunku -
Druhá časť: Rozdelenie v radoch vedcov -
- Štvrtá časť: energia protónov -
- Piata časť: Ako teda vytvoríte bunku? -
- Šiesta časť: Veľké zjednotenie -