- Ensimmäinen osa: Kuinka tehdä solu -
- Toinen osa: Jako tiedemiesten joukkoissa -
- Osa neljä: protonien energia -
- Viides osa: niin miten solu luodaan? -
- Kuudes osa: Suuri yhdistyminen -
Joten 1960-luvun jälkeen tutkijat, jotka yrittivät ymmärtää elämän alkuperää, jaettiin kolmeen ryhmään. Jotkut heistä olivat vakuuttuneita siitä, että elämä alkoi biologisten solujen primitiivisten versioiden muodostumisesta. Toiset uskoivat metabolisen järjestelmän olevan avainasemassa ensimmäinen askel, kun taas toiset uskoivat genetiikan ja replikaation merkitykseen. Tämä viimeinen ryhmä alkoi selvittää, miltä ensimmäinen replikaattori voi näyttää, olettaen, että se on tehty RNA: sta.
Jo 1960-luvulla tutkijoilla oli syytä uskoa, että RNA oli kaiken elämän lähde.
Erityisesti RNA voi tehdä jotain, mitä DNA ei pysty. Se on yksijuosteinen molekyyli, joten toisin kuin jäykkä, kaksijuosteinen DNA, se voi taittaa itsensä useisiin eri muotoihin.
Samanlainen kuin origami, taittuva RNA oli yleensä käyttäytymisessä samanlainen kuin proteiinit. Proteiinit ovat myös enimmäkseen pitkiä ketjuja - vain aminohappoja, ei nukleotideja - ja tämä antaa heille mahdollisuuden luoda monimutkaisia rakenteita.
Tämä on avain proteiinien hämmästyttävimpään kykyyn. Jotkut niistä voivat nopeuttaa tai "katalysoida" kemiallisia reaktioita. Sellaiset proteiinit tunnetaan entsyymeinä.
Suolistasi löytyy monia entsyymejä, joissa ne hajottavat monimutkaiset molekyylit ruoasta yksinkertaisiksi sokereiksi, joita solut voivat käyttää. Olisi mahdotonta elää ilman entsyymejä.
Leslie Orgel ja Frances Crick olivat alkaneet epäillä jotain. Jos RNA voi taittua kuten proteiini, ehkä se voi muodostaa entsyymejä? Jos tämä olisi totta, RNA voisi olla alkuperäinen - ja universaali - elävä molekyyli, joka tallentaa tietoa, kuten DNA tekee nyt, ja katalysoi reaktioita, kuten jotkut proteiinit tekevät.
Se oli hieno idea, mutta kymmenessä vuodessa se ei ole saanut todisteita.
Mainosvideo:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech syntyi ja kasvoi Iowassa. Lapsena hän kiehtoi kivistä ja mineraaleista. Ja jo lukiossa, hän katsoi paikallista yliopistoa ja koputti geologien oville pyynnöllä näyttää malleja mineraalirakenteista.
Lopulta hänestä tuli kuitenkin biokemisti ja hän keskittyi RNA: hon.
1980-luvun alkupuolella Cech ja hänen kollegansa Coloradon yliopistossa Boulderissa tutkivat yksisoluista organismia Tetrahymena thermophila. Osa sen solukoneista sisältää RNA-juosteita. Cech havaitsi, että yksi RNA-segmentti oli jotenkin erotettu muusta, ikään kuin se olisi leikattu saksilla.
Kun tutkijat poistivat kaikki entsyymit ja muut molekyylit, jotka voisivat toimia molekyylisaksina, RNA jatkoi erittymistä. Joten he löysivät ensimmäisen RNA-entsyymin: lyhyt pala RNA: ta, joka voi leikata itsensä pois pitkästä juosteesta, jonka osa se on.
Cech julkaisi työnsä tulokset vuonna 1982. Seuraavana vuonna toinen tutkijaryhmä löysi toisen RNA-entsyymin, "ribotsyymi" (lyhenne sanoista "ribonukleiinihappo" ja "entsyymi", aka entsyymi). Kahden RNA-entsyymin löytäminen peräkkäin osoitti, että niitä on oltava paljon enemmän. Ja niin ajatus elämän aloittamisesta RNA: lla alkoi näyttää vahvalta.
Idealle antoi kuitenkin nimen Walter Gilbert Harvardin yliopistosta Cambridgessa, Massachusettsissa. Fyysikkona, joka kiehtoi molekyylibiologiaa, Gilbertistä tuli myös yksi varhaisista puolustajista sekvensoida ihmisen perimää.
Vuonna 1986 Gilbert kirjoitti luonnossa, että elämä alkoi "RNA-maailmassa".
Ensimmäinen evoluutiovaihe, Gilbert väitti, koostui "RNA-molekyyleistä, jotka suorittavat katalyyttisen aktiivisuuden, joka on tarpeen niiden itsensä kokoamiseksi nukleotidien liemeksi". Kopioimalla ja liittämällä erilaisia RNA-bittejä yhteen, RNA-molekyylit voisivat luoda vielä käyttökelpoisempia sekvenssejä. Lopulta he löysivät tavan luoda proteiineja ja proteiinientsyymejä, jotka osoittautuivat niin hyödyllisiksi, että ne suuresti syrjäyttivät RNA-versiot ja antoivat meille elämän.
RNA World on tyylikäs tapa rakentaa monimutkainen elämä tyhjästä. Sen sijaan, että luottaisi kymmenien biologisten molekyylien samanaikaiseen muodostumiseen alkeiskeitosta, "yksi kaikille" -molekyyli voisi tehdä työn.
Vuonna 2000 RNA-maailman hypoteesi sai valtavan osan todisteista.
Ribosomi tuottaa proteiineja
Thomas Steitz opiskeli 30 vuotta elävien solujen molekyylien rakennetta. 1990-luvulla hän omistautui vakavimmalle tehtävälleen: ribosomin rakenteen selvittämiseen.
Jokaisessa elävässä solussa on ribosomi. Tämä valtava molekyyli lukee RNA: n ohjeita ja järjestää aminohapot proteiinien valmistamiseksi. Solusi ribosomit ovat rakentaneet suurimman osan kehosta.
Ribosomin tiedettiin sisältävän RNA: ta. Mutta vuonna 2000 Steitzin joukkue tuotti yksityiskohtaisen kuvan ribosomirakenteesta, mikä osoitti, että RNA oli ribosomin katalyyttinen ydin.
Tämä oli tärkeää, koska ribosomi on perustavanlaatuinen tärkeys elämälle ja samalla hyvin muinainen. Se, että tämä välttämätön kone on rakennettu RNA: lle, teki RNA-maailman hypoteesista vielä uskottavamman.
"RNA-maailman" kannattajat voittivat, ja vuonna 2009 Steitz sai osan Nobel-palkinnosta. Mutta siitä lähtien tutkijat ovat alkaneet epäillä. Alusta lähtien ajatuksella "RNA-maailmasta" oli kaksi ongelmaa. Voisiko RNA todella suorittaa kaikki elämän toiminnot yksinään? Voisiko se muodostua varhaisessa maapallossa?
On kulunut 30 vuotta siitä, kun Gilbert loi perustan "RNA-maailmalle", ja emme ole vieläkään löytäneet vankkaa näyttöä siitä, että RNA voi tehdä kaiken, mitä teoria vaatii. Se on pieni taitava molekyyli, mutta se ei ehkä pysty kaikkeen.
Yksi asia oli selvä. Jos elämä alkoi RNA-molekyylillä, RNA: n piti pystyä tekemään kopioita itsestään: sen oli oltava itsensä replikoiva, itsensä replikoiva.
Mutta mikään tunnetuista RNA: ista ei voi replikoitua itseään. Niin on myös DNA. He tarvitsevat pataljonan entsyymejä ja muita molekyylejä luodakseen kopion tai kappaleen RNA: sta tai DNA: sta.
Siksi 1980-luvun lopulla useat tutkijat aloittivat hyvin kvesioottisen pyrkimyksen. He päättivät luoda itsensä replikoivan RNA: n.
Jack Shostak
Jack Shostak Harvardin lääketieteellisestä korkeakoulusta oli yksi ensimmäisistä, joka osallistui. Lapsena hän oli niin kiehtonut kemiasta, että aloitti laboratorion talon kellarissa. Huolimatta omasta turvallisuudestaan, hän jopa järjesti räjähdyksen, jonka jälkeen lasiputki oli juuttunut kattoon.
1980-luvun alkupuolella Shostak auttoi osoittamaan, kuinka geenit suojelevat itseään ikääntymisprosessilta. Tämä melko varhainen tutkimus ansaitsi hänelle lopulta Nobel-palkinnon. Hyvin pian hän ihaili Cechin RNA-entsyymejä. "Minusta tämä työ oli mahtavaa", hän sanoo. "Periaatteessa on täysin mahdollista, että RNA katalysoi omaa lisääntymistään."
Vuonna 1988 Cech löysi RNA-entsyymin, joka voi rakentaa lyhyen RNA-molekyylin, joka on 10 nukleotidia pitkä. Shostak päätti parantaa keksintöä tuottamalla uusia RNA-entsyymejä laboratoriossa. Hänen tiiminsä loi joukon satunnaisia sekvenssejä ja testasi nähdäkseen, olisiko jollain heistä katalyyttisiä kykyjä. Sitten he ottivat nämä sekvenssit, muokattiin niitä ja testattiin uudelleen.
10 tällaisen toiminnan kierroksen jälkeen Shostak tuotti RNA-entsyymin, joka kiihdytti reaktiota seitsemän miljoonaa kertaa. Hän osoitti, että RNA-entsyymit voivat olla todella tehokkaita. Mutta niiden entsyymi ei pystynyt kopioimaan itseään, edes edes vähän. Shostak oli umpikujassa.
Ehkä elämä ei alkanut RNA: lla
Seuraavan suuren askeleen otti vuonna 2001 entinen Shostakin opiskelija David Bartel Massachusettsin teknillisestä instituutista Cambridgessa. Bartel teki R18-RNA-entsyymin, joka voisi lisätä uusia nukleotideja RNA-juosteeseen olemassa olevan templaatin perusteella. Toisin sanoen, hän ei lisännyt satunnaisia nukleotidejä: hän kopioi sekvenssiä oikein.
Vaikka se ei ollut vielä itsetoimittaja, mutta jo jotain vastaavaa. R18 koostui 189 nukleotidiketjusta ja pystyi luotettavasti lisäämään ketjuun 11 nukleotidia: 6% sen omasta pituudesta. Toivoi, että muutama parannus antaisi hänelle mahdollisuuden rakentaa 189 nukleotidiketju - aivan kuten hänkin.
Parasta teki Philip Holliger vuonna 2011 Cambridgen molekyylibiologian laboratoriosta. Hänen tiiminsä loi modifioidun R18: n, nimeltään tC19Z, joka kopioi sekvenssejä, joiden pituus oli jopa 95 nukleotidia. Se on 48% sen omasta pituudesta: enemmän kuin R18, mutta kaukana 100%.
Gerald Joyce ja Tracy Lincoln, Scripps Institute, La Jolla, Kalifornia, ehdottivat vaihtoehtoista lähestymistapaa. Vuonna 2009 he loivat RNA-entsyymin, joka replikoituu epäsuorasti. Heidän entsyymi yhdistää kaksi lyhyttä RNA-osaa toisen entsyymin luomiseksi. Sitten se yhdistää kaksi muuta RNA-palaa alkuperäisen entsyymin luomiseksi.
Raaka-aineiden saatavuuden vuoksi tätä yksinkertaista sykliä voidaan jatkaa loputtomiin. Mutta entsyymit toimivat vasta, kun heille annettiin oikeat RNA-juosteet, jotka Joycen ja Lincolnin piti tehdä.
Monille tutkijoille, jotka ovat skeptisiä "RNA-maailman" suhteen, itse replikoituneen RNA: n puute on kohtalokas ongelma tässä hypoteesissa. RNA, ilmeisesti, ei yksinkertaisesti voi ottaa ja aloittaa elämää.
Ongelmaa pahensi myös kemikaalien epäonnistuminen luomaan RNA: ta tyhjästä. Se vaikuttaisi yksinkertaiselta molekyyliltä verrattuna DNA: han, mutta sitä on erittäin vaikea valmistaa.
Ongelma on sokerissa ja emäksessä, jotka muodostavat kunkin nukleotidin. Voit tehdä jokaisen niistä erikseen, mutta he kieltäytyvät itsepintaisesti osallistumasta. 1990-luvun alkupuolella tämä ongelma oli tullut ilmeiseksi. Monet biologit ovat epäilleet, että "RNA-maailman" hypoteesi kaikesta houkuttelevuudestaan huolimatta ei välttämättä ole täysin oikea.
Sen sijaan varhaisessa maapallossa voi olla jotakin muuta tyyppiä olevaa molekyyliä: jotain yksinkertaisempaa kuin RNA, joka voisi tosiasiassa poimia itsensä alkeiskeitosta ja alkaa replikoida itseään. Ensin voi olla tämä molekyyli, joka sitten johti RNA: han, DNA: han ja niin edelleen.
DNA tuskin olisi voinut muodostua varhaisessa maapallossa
Vuonna 1991 Tanskan Kööpenhaminan yliopiston Peter Nielsen keksi ehdokkaan ensisijaisiksi replikaattoreiksi.
Se oli olennaisesti voimakkaasti muokattua versiota DNA: sta. Nielsen piti samat emäkset - A, T, C ja G -, joita löydettiin DNA: sta, mutta teki selkärangan molekyyleistä, joita kutsuttiin polyamideiksi, eikä sokereista, joita löytyy myös DNA: sta. Hän nimitti uuden molekyylin polyamidinukleiinihapon tai PNA: n. Ymmärrettävällä tavalla siitä on sittemmin tullut tunnetuksi peptidinukleiinihappona.
PNA: ta ei ole koskaan löydetty luonnosta. Mutta se käyttäytyy melkein kuin DNA. PNA-juoste voi jopa korvata yhden DNA-molekyylin säikeistä, ja emäkset on muodostettu pareittain tavalliseen tapaan. Lisäksi PNA voi kiertyä kaksoiskierreksi, kuten DNA.
Stanley Miller oli kiinnostunut. Syvän skeptisen RNA-maailman suhteen hän epäili, että PNA oli paljon todennäköisempi ehdokas ensimmäiselle geneettiselle materiaalille.
Vuonna 2000 hän tuotti vakavia todisteita. Siihen mennessä hän oli jo 70-vuotias ja kärsinyt useista aivohalvauksista, jotka saattoivat lähettää hänet hoitokodille, mutta hän ei luopunut. Hän toisti klassisen kokeilun, josta keskustelimme ensimmäisessä luvussa, tällä kertaa käyttämällä metaania, typpeä, ammoniakkia ja vettä - ja sai polyamidiemäksen PNA.
Tämä ehdotti, että PNA, toisin kuin RNA, olisi voinut muodostua varhaisessa maapallossa.
Threose-nukleiinihappomolekyyli
Muut kemistit ovat keksineet omat vaihtoehtoiset nukleiinihapot.
Vuonna 2000 Albert Eschenmoser valmisti treoosinukleiinihappoa (TNK). Se on sama DNA, mutta eri sokerilla pohjassa. TNC-ketjut voivat muodostaa kaksinkertaisen kierukan, ja tiedot kopioidaan molempiin suuntiin RNA: n ja TNK: n välillä.
Lisäksi TNC: t voivat taittua monimutkaisiksi muodoiksi ja jopa sitoutua proteiineihin. Tämä viittaa siihen, että TNK voi toimia entsyyminä, kuten RNA.
Vuonna 2005 Eric Megges teki glykolisen nukleiinihapon, joka voi muodostaa kierteisiä rakenteita.
Jokaisella näistä vaihtoehtoisista nukleiinihapoista on omat puolustajansa. Mutta luonnosta ei löydy jälkiä heistä, joten jos ensimmäinen elämä todella käytti niitä, sen oli jossain vaiheessa hylättävä ne kokonaan RNA: n ja DNA: n hyväksi. Tämä voi olla totta, mutta todisteita ei ole.
Seurauksena oli, että 2000-luvun puoliväliin mennessä RNA-maailman kannattajat olivat kiusallisissa.
Toisaalta RNA-entsyymejä oli olemassa ja ne sisälsivät yhden biologisen tekniikan tärkeimmistä osista, ribosomin. Hyvä.
Mutta itsetoistuvaa RNA: ta ei löydy, eikä kukaan voinut ymmärtää kuinka RNA muodostui alkeiskeitossa. Vaihtoehtoiset nukleiinihapot voisivat ratkaista jälkimmäisen ongelman, mutta ei ole näyttöä siitä, että ne olisivat olleet luonnossa. Ei kovin hyvä.
Selvä johtopäätös oli, että "RNA-maailma" houkuttelevuudestaan huolimatta osoittautui myytiksi.
Samaan aikaan erilainen teoria sai vähitellen vauhtia 1980-luvulta lähtien. Sen kannattajat väittävät, että elämä ei alkanut RNA: sta, DNA: sta tai muusta geneettisestä materiaalista. Sen sijaan se alkoi energian valjastamismekanismilla.
Elämä tarvitsee energiaa pysyäkseen hengissä
ILYA KHEL
- Osa 1: Kuinka tehdä solu -
- Osa 2: Jako tiedemiesten joukkoissa -
- Osa neljä: protonien energia -
- Osa viisi: niin miten solu luodaan? -
- Kuudes osa: Suuri yhdistyminen -