- Esimene osa: kuidas teha lahtrit -
- Teine osa: teadlaste ridades jagunemine -
- Neljas osa: prootonite energia -
- Viies osa: kuidas te siis raku loote? -
- Kuues osa: Suur ühendamine -
Nii jagunesid elu päritolu mõistvad teadlased pärast 1960. aastaid kolme rühma. Mõned neist olid veendunud, et elu sai alguse bioloogiliste rakkude primitiivsete versioonide moodustamisest. Teised arvasid, et metaboolne süsteem on esimene oluline samm, teised keskendusid geneetika ja replikatsiooni olulisusele. See viimane rühm hakkas välja mõtlema, milline võiks esimene replikaator välja näha, eeldades, et see on valmistatud RNA-st.
Juba 1960. aastatel oli teadlastel põhjust arvata, et RNA on kogu elu allikas.
Eriti saab RNA teha midagi sellist, mida DNA ei suuda. See on üheahelaline molekul, nii et erinevalt jäigast, kaheahelalisest DNA-st võib see voldida end mitmeks erinevaks kujuks.
Sarnaselt origamiga oli kokkupandav RNA käitumisega üldiselt sarnane valkudele. Valgud on enamasti ka pikad ahelad - ainult aminohapetest, mitte nukleotiididest - ja see võimaldab neil luua keerukaid struktuure.
See on valkude hämmastavama võti. Mõned neist võivad keemilisi reaktsioone kiirendada või "katalüüsida". Selliseid valke tuntakse ensüümidena.
Teie soolestikus võib leida palju ensüüme, kus need lõhustavad toidust pärit keerukaid molekule lihtsateks suhkrutüüpideks, mida teie rakud saavad kasutada. Ilma ensüümideta oleks võimatu elada.
Leslie Orgel ja Frances Crick hakkasid midagi kahtlustama. Kui RNA saab voltida nagu valk, siis võib see moodustada ensüüme? Kui see vastab tõele, võib RNA olla algupärane - ja universaalne - elus molekul, mis salvestab teavet, nagu DNA seda praegu teeb, ja katalüüsib reaktsioone, nagu mõned valgud.
See oli suurepärane idee, kuid kümne aasta jooksul pole see tõestust leidnud.
Reklaamvideo:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech sündis ja kasvas Iowas. Lapsena paelusid teda kivid ja mineraalid. Ja juba keskkoolis vaatas ta kohalikku ülikooli ja koputas geoloogide ustele palvega näidata mineraalkonstruktsioonide mudeleid.
Siiski sai temast lõpuks biokeemik ja keskendus RNA-le.
1980. aastate alguses uurisid Cech ja tema kolleegid Boulderi Colorado ülikoolist üherakulist organismi Tetrahymena thermophila. Osa selle rakulistest masinatest sisaldab RNA ahelaid. Cech avastas, et üks RNA segment on kuidagi ülejäänud osadest eraldatud, justkui oleks see kääridega välja lõigatud.
Kui teadlased eemaldasid kõik ensüümid ja muud molekulid, mis võiksid toimida molekulaarsete kääridena, jätkas RNA sekretsiooni. Nii leidsid nad esimese RNA ensüümi: lühikese RNA tüki, mis suudab end välja lõigata pikast ahelast, mille osa see on.
Cech avaldas oma töö tulemused 1982. aastal. Järgmisel aastal avastas teine teadlaste rühm teise RNA ensüümi "ribosüüm" (lühend "ribonukleiinhape" ja "ensüüm", teise nimega ensüüm). Kahe RNA ensüümi üksteise järel avastamine näitas, et neid peab olema veel palju. Ja nii hakkaski RNA-ga elu alustamise mõte paistma soliidne.
Sellele ideele andis aga nime Walter Gilbert Harvardi ülikoolist Cambridge'is, Massachusettsis. Füüsikuna, kes on vaimustatud molekulaarbioloogiast, sai Gilbertist ka üks inimgenoomi sekveneerimise esimesi pooldajaid.
1986. aastal kirjutas Gilbert ajakirjas Nature, et elu algas "RNA maailmas".
Evolutsiooni esimene etapp, Gilbert väitis, koosnes "RNA molekulidest, mis täidavad katalüütilist aktiivsust, mis on vajalik nukleotiidide puljongiks kogunemiseks". Erinevate RNA bittide kopeerimise ja kleepimise abil võiksid RNA molekulid luua veelgi kasulikumaid järjestusi. Lõpuks leidsid nad viisi valkude ja valguensüümide loomiseks, mis osutusid nii kasulikuks, et suures osas tõrjusid nad RNA versioonid ja andsid aluse elule, mis meil on.
RNA maailm on elegantne viis keeruka elu nullist taastamiseks. Selle asemel, et loota ürgsest supist kümnete bioloogiliste molekulide samaaegsele moodustumisele, võiks selle töö ära teha ka kõigi jaoks mõeldud molekul.
Aastal 2000 sai RNA maailma hüpotees tõendite kolossaalse tüki.
Ribosoom teeb valke
Thomas Steitz veetis 30 aastat elusate rakkude molekulide struktuuri uurimisel. 1990. aastatel pühendus ta oma kõige tõsisemale ülesandele: ribosoomi struktuuri väljamõtlemisele.
Igas elavas rakus on ribosoom. See tohutu molekul loeb RNA juhiseid ja seob aminohapped valkude valmistamiseks. Teie rakkudes olevad ribosoomid on ehitanud suurema osa teie kehast.
Teadaolevalt sisaldas ribosoom RNA-d. Kuid 2000. aastal koostas Steitzi meeskond üksikasjaliku pildi ribosoomi struktuurist, mis näitas, et RNA oli ribosoomi katalüütiline tuum.
See oli oluline, kuna ribosoom on elule põhimõtteliselt oluline ja samal ajal väga iidne. Fakt, et see oluline masin ehitati RNA-le, muutis RNA maailma hüpoteesi veelgi usutavamaks.
"RNA-maailma" toetajad triumfeerisid ja 2009. aastal sai Steitz osa Nobeli preemiast. Kuid sellest ajast alates on teadlased hakanud kahtlema. Algusest peale oli "RNA-maailma" ideel kaks probleemi. Kas RNA saaks elus kõiki funktsioone tõesti iseseisvalt täita? Kas see oleks võinud moodustuda varajasel Maal?
On möödunud 30 aastat sellest, kui Gilbert pani aluse "RNA-maailmale" ja me pole ikka veel leidnud kindlaid tõendeid selle kohta, et RNA saaks teha kõike, mida teooria sellest nõuab. See on väike osav molekul, kuid see ei pruugi olla võimeline kõike tegema.
Üks oli selge. Kui elu algas RNA molekuliga, pidi RNA suutma ise koopiaid teha: see pidi ise reprodutseerima, ise replitseeruma.
Kuid ükski teadaolevatest RNA-dest ei saa ise paljuneda. Nii on ka DNA-ga. Nad vajavad RNA või DNA koopia või tüki loomiseks pataljoni ensüüme ja muid molekule.
Seetõttu alustasid mitmed teadlased 1980ndate lõpus väga quixotic quest. Nad otsustasid luua iseseisvalt korduva RNA.
Jack Shostak
Jack Shostak Harvardi meditsiinikoolist oli üks esimesi, kes sellest osa võttis. Lapsena oli ta keemiast nii lummatud, et alustas oma maja keldris laborit. Enda ohutust tähelepanuta pani ta ükskord isegi plahvatuse, mille järel klaasist toru oli lakke kinni jäänud.
1980. aastate alguses aitas Shostak näidata, kuidas geenid kaitsevad end vananemisprotsessi eest. See üsna varajane uurimus teenis talle lõpuks Nobeli preemia. Kuid väga kiiresti imetles ta Cechi RNA ensüüme. “Arvasin, et see töö on fantastiline,” ütleb ta. "Põhimõtteliselt on täiesti võimalik, et RNA katalüüsib enda paljunemist."
1988. aastal avastas Cech RNA ensüümi, mis suudab ehitada lühikese RNA molekuli, mis on 10 nukleotiidi pikk. Shostak otsustas avastust parandada, tootes laboris uusi RNA ensüüme. Tema meeskond lõi juhuslike järjestuste komplekti ja testis, kas mõnel neist on katalüütiline võime. Siis nad võtsid need järjestused, tegid need ümber ja testisid uuesti.
Pärast 10 sellise toimingu vooru tootis Shostak RNA ensüümi, mis kiirendas reaktsiooni seitse miljonit korda. Ta näitas, et RNA ensüümid võivad olla tõesti võimsad. Kuid nende ensüüm ei suutnud ennast ise kopeerida, isegi mitte pisut. Shostak oli ummikus.
Võib-olla ei alanud elu RNA-st
Järgmise suure sammu astus 2001. aastal Cambridge'i Massachusettsi tehnoloogiainstituudi Shostaki endine tudeng David Bartel. Bartel valmistas R18 RNA ensüümi, mis olemasoleva matriitsi põhjal võis RNA ahelale uusi nukleotiide lisada. Teisisõnu, ta ei lisanud juhuslikke nukleotiide: ta kopeeris järjestust õigesti.
Kuigi see polnud veel isereplikaator, aga juba midagi sarnast. R18 koosnes 189 nukleotiidi ahelast ja see võis ahelasse usaldusväärselt lisada 11 nukleotiidi: 6% tema enda pikkusest. Loodeti, et mõni näpistamine võimaldab tal ehitada 189 nukleotiidi ahela - täpselt nagu tema ise.
Parima asja tegi Philip Holliger 2011. aastal Cambridge'i molekulaarbioloogia laborist. Tema meeskond lõi modifitseeritud R18 nimega tC19Z, mis kopeeris kuni 95 nukleotiidi pikkusi järjestusi. See on 48% tema enda pikkusest: rohkem kui R18, kuid kaugeltki 100%.
Alternatiivse lähenemisviisi pakkusid välja Gerald Joyce ja Tracy Lincoln Scrippsi instituudist La Jollas, Californias. 2009. aastal lõid nad RNA ensüümi, mis paljuneb kaudselt. Nende ensüüm ühendab kaks lühikest RNA tükki, et luua teine ensüüm. Seejärel ühendab see ülejäänud kaks RNA tükki, et taastada algne ensüüm.
Toorainete kättesaadavust arvestades saab seda lihtsat tsüklit lõputult jätkata. Kuid ensüümid töötasid alles siis, kui neile anti õigeid RNA ahelaid, mida Joyce ja Lincoln pidid tegema.
Paljude teadlaste jaoks, kes on skeptilised "RNA-maailma" suhtes, on selle hüpoteesi saatuslik probleem iseendaga replitseeruva RNA puudumine. RNA ilmselt lihtsalt ei saa elu alustada.
Probleemi täiendas ka keemikute suutmatus RNA-d nullist luua. See näib DNA-ga võrreldes lihtne molekul, kuid seda on äärmiselt keeruline valmistada.
Probleem peitub suhkrus ja aluses, millest iga nukleotiid koosneb. Saate neid kõiki teha eraldi, kuid nad keelduvad kangekaelselt kaasamast. 1990. aastate alguseks oli see probleem ilmnenud. Paljud bioloogid on kahtlustanud, et "RNA-maailma" hüpotees, vaatamata kogu atraktiivsusele, ei pruugi olla täiesti õige.
Selle asemel võis varajases Maal olla mõni teist tüüpi molekul: RNA-st midagi lihtsamat, mis tegelikult võiks end ürgsest supist üles korjata ja hakata ennast taastootma. Esiteks võiks olla see molekul, mis viis seejärel RNA, DNA ja nii edasi.
Vaevalt võis DNA varasele Maale moodustuda
1991. aastal tuli Peter Nielsen Taanis Kopenhaageni ülikoolist välja esmane replikaatorite kandidaat.
See oli sisuliselt DNA tugevalt modifitseeritud versioon. Nielsen hoidis DNA-s leiduvaid samu aluseid - A, T, C ja G -, kuid tegi selgroo pigem polüamiidideks kutsutud molekulidest kui suhkrutest, mida leidub ka DNA-s. Ta nimetas uue molekuli polüamiidi nukleiinhapet ehk PNA-d. Arusaamatul viisil on sellest ajast teada peptiidi nukleiinhape.
PNA-d pole loodusest kunagi leitud. Kuid see käitub peaaegu nagu DNA. PNA ahel võib asendada isegi DNA molekuli ühe ahela ja alused on tavapäraselt paaris. Pealegi võib PNA keerduda kahekordseks spiraaliks, nagu DNA.
Stanley Miller oli intrigeeritud. RNA-maailma suhtes sügavalt skeptiline kahtlustas ta, et PNA on esimese geneetilise materjali kandidaat palju tõenäolisem.
2000. aastal esitas ta mõned kindlad tõendid. Selleks ajaks oli ta juba 70-aastane ja tal oli mitu insulti, mis võisid ta hooldekodusse saata, kuid ta ei andnud alla. Ta kordas oma klassikalist katset, mida arutasime esimeses peatükis, kasutades seekord metaani, lämmastikku, ammoniaaki ja vett - ning sai polüamiidi alus-PNA.
See näitas, et PNA, vastupidiselt RNA-le, oleks võinud varakult Maale moodustuda.
Threose nukleiinhappemolekul
Teised keemikud on välja töötanud oma alternatiivsed nukleiinhapped.
2000. aastal valmistas Albert Eschenmoser treoosi nukleiinhapet (TNK). See on sama DNA, kuid aluses on erinev suhkur. TNC ahelad võivad moodustada kahekordse spiraali ja teavet kopeeritakse RNA ja TNK vahel mõlemas suunas.
Lisaks võivad TNC-d voldida keerukateks vormideks ja seostuda isegi valkudega. See vihjab, et TNK võib toimida ensüümina nagu RNA.
2005. aastal tegi Eric Megges glükoolhappe nukleiinhappe, mis võib moodustada spiraalseid struktuure.
Igal neist alternatiivsetest nukleiinhapetest on oma pooldajad. Kuid loodusest ei leia neist jälgi, nii et kui esimene elu neid tõesti kasutas, pidi see mingil hetkel neist RNA ja DNA kasuks täielikult loobuma. See võib küll tõsi olla, kuid tõendid puuduvad.
Selle tulemusel leidsid RNA-maailma toetajad 2000. aastate keskpaigaks tüli.
Ühelt poolt olid RNA ensüümid olemas ja hõlmasid bioloogilise insenerituse ühte kõige olulisemat osa, ribosoomi. Hea küll.
Kuid ise replitseeruvat RNA-d ei leitud ja keegi ei saanud aru, kuidas RNA ürgses supis moodustus. Alternatiivsed nukleiinhapped võiksid viimast probleemi lahendada, kuid puuduvad tõendid selle olemasolu kohta looduses. Ei ole väga hea.
Ilmne järeldus oli, et "RNA-maailm" osutus vaatamata atraktiivsusele müütiks.
Vahepeal on alates 1980. aastatest järk-järgult hoogustunud teistsugune teooria. Selle toetajad väidavad, et elu ei alanud RNA, DNA ega muu geneetilise materjaliga. Selle asemel sai see alguse energia kasutamise mehhanismist.
Elu vajab elus püsimiseks energiat
ILYA KHEL
- Esimene osa: kuidas teha lahtrit -
- Teine osa: jagunemine teadlaste ridades -
- Neljas osa: prootonite energia -
- Viies osa: kuidas luua lahtrit? -
- Kuues osa: Suur ühendamine -
