- Pirma dalis: Kaip sudaryti ląstelę -
- Antra dalis: Mokslininkų gretos pasiskirstymas -
- Ketvirta dalis: protonų energija -
- Penkta dalis: Taigi kaip sukurti ląstelę? -
- Šeštoji dalis: Didysis susivienijimas -
Taigi po septintojo dešimtmečio mokslininkai, bandantys suprasti gyvybės kilmę, suskirstyti į tris grupes. Kai kurie iš jų buvo įsitikinę, kad gyvenimas prasidėjo nuo primityvių biologinių ląstelių variantų susidarymo. Kiti tikėjo, kad svarbiausias pirmasis žingsnis yra metabolinė sistema, o kiti sutelkė dėmesį į genetikos ir replikacijos svarbą. Ši paskutinė grupė pradėjo aiškintis, kaip galėtų atrodyti pirmasis replikatorius, darant prielaidą, kad jis pagamintas iš RNR.
Jau septintajame dešimtmetyje mokslininkai turėjo pagrindo manyti, kad RNR yra viso gyvenimo šaltinis.
- „Salik.biz“
Visų pirma, RNR gali padaryti tai, ko negali DNR. Tai yra viengrandė molekulė, todėl skirtingai nuo standžios, dvigubos grandinės DNR, ji gali susisukti į daugybę skirtingų formų.
Panašiai kaip origami, sulankstoma RNR paprastai buvo panaši į elgesį su baltymais. Baltymai taip pat dažniausiai yra ilgos grandinės - tik aminorūgščių, o ne nukleotidai - ir tai leidžia jiems sukurti sudėtingas struktūras.
Tai yra raktas į nuostabiausius baltymų sugebėjimus. Kai kurie iš jų gali pagreitinti arba „katalizuoti“chemines reakcijas. Tokie baltymai yra žinomi kaip fermentai.
Daugelis fermentų gali būti jūsų žarnyne, kur jie suskaido sudėtines molekules iš maisto į paprastus cukraus tipus, kuriuos gali naudoti jūsų ląstelės. Neįmanoma gyventi be fermentų.
Leslie‘is Orgelas ir Francesas Crickas ėmė kai ką įtarti. Jei RNR gali susilankstyti kaip baltymas, galbūt ji gali sudaryti fermentus? Jei tai būtų tiesa, tada RNR galėtų būti originali ir universali gyva molekulė, kaupianti informaciją, kaip daro DNR, ir katalizuojanti reakcijas, kaip tai daro kai kurie baltymai.
Tai buvo puiki idėja, tačiau per dešimt metų ji neturėjo jokio įrodymo.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Tomas Cechas, 2007 m
Thomas Cechas gimė ir užaugo Ajovoje. Būdamas vaikas, jis susižavėjo akmenimis ir mineralais. Ir jau vidurinėje mokykloje jis apžiūrėjo vietos universitetą ir beldžiasi į geologų duris su prašymu parodyti mineralinių struktūrų modelius.
Tačiau galiausiai jis tapo biochemiku ir susitelkė ties RNR.
Dešimtojo dešimtmečio pradžioje Cechas su kolegomis iš Kolorado universiteto Boulderyje tyrė vienaląsčio organizmo Tetrahymena thermophila. Dalį jo ląstelių aparatų sudaro RNR sruogos. Cechas išsiaiškino, kad vienas RNR segmentas kažkaip atskirtas nuo kitų, tarsi jis būtų iškirptas žirklėmis.
Kai mokslininkai pašalino visus fermentus ir kitas molekules, kurios galėtų veikti kaip molekulinės žirklės, RNR ir toliau būdavo sekretuojama. Taigi jie rado pirmąjį RNR fermentą: trumpą RNR gabalėlį, kuris gali iškirsti save iš ilgosios grandinės, kurios dalis ji yra.
Cechas paskelbė savo darbo rezultatus 1982 m. Kitais metais kita mokslininkų grupė atrado antrą RNR fermentą „ribozimą“(sutrumpintai „ribonukleino rūgštis“ir „fermentas“, dar žinomas kaip fermentas). Dviejų RNR fermentų atradimas vienas po kito parodė, kad jų turi būti daug daugiau. Taigi idėja pradėti gyvenimą su RNR ėmė atrodyti tvirta.
Tačiau šios idėjos pavadinimą davė Walteris Gilbertas iš Harvardo universiteto Kembridže, Masačusetso valstijoje. Būdamas fizikas, susižavėjęs molekuline biologija, Gilbertas taip pat tapo vienu iš pirmųjų žmogaus genomo sekos šalininkų.
1986 m. Gilbertas „Nature“parašė, kad gyvenimas prasidėjo „RNR pasaulyje“.
Pirmasis evoliucijos etapas, teigė Gilbertas, buvo „RNR molekulės, atliekančios katalitinį aktyvumą, reikalingą surinkti save į nukleotidų sultinį“. Kopijuodami ir įklijuodami skirtingus RNR bitus, RNR molekulės galėtų sukurti dar naudingesnes sekas. Galiausiai jie rado būdą sukurti baltymus ir baltymų fermentus, kurie pasirodė tokie naudingi, kad jie daugiausia išstūmė RNR versijas ir pagimdė mūsų gyvenimą.
„RNA World“yra elegantiškas būdas atkurti sudėtingą gyvenimą nuo nulio. Užuot pasikliavęs tuo pačiu metu, kai iš pirmapradės sriubos susidaro dešimtys biologinių molekulių, darbą gali atlikti „viena visiems“molekulė.
2000 m. RNR pasaulio hipotezė gavo didžiulį patvirtinamųjų įrodymų fragmentą.
Ribosoma gamina baltymus
Tomas Steitzas praleido 30 metų tirdamas gyvų ląstelių molekulių struktūrą. Dešimtajame dešimtmetyje jis atsidavė savo sunkiausiai užduočiai: išsiaiškinti ribosomos struktūrą.
Kiekvienoje gyvoje ląstelėje yra ribosoma. Ši didžiulė molekulė skaito instrukcijas RNR ir surenka aminorūgštis baltymams gaminti. Jūsų ląstelėse esančios ribosomos sukūrė didžiąją dalį jūsų kūno.
Buvo žinoma, kad ribosomoje yra RNR. Tačiau 2000 m. Steitzo komanda parengė išsamų ribosomų struktūros vaizdą, kuris parodė, kad RNR yra katalizinė ribosomos šerdis.
Tai buvo svarbu, nes ribosoma yra gyvybiškai svarbi ir tuo pačiu labai sena. Tai, kad šis esminis aparatas buvo pastatytas ant RNR, RNR pasaulio hipotezę padarė dar patikimesnę.
„RNR pasaulio“rėmėjai triumfavo, o 2009 m. Steichas gavo Nobelio premijos dalį. Bet nuo to laiko mokslininkai pradėjo abejoti. Nuo pat pradžių „RNR pasaulio“idėja turėjo dvi problemas. Ar RNR galėtų savarankiškai atlikti visas gyvenimo funkcijas? Ar ji galėjo susiformuoti ankstyvoje žemėje?
Praėjo 30 metų, kai Gilbertas padėjo pagrindą „RNR pasauliui“, ir mes vis dar neradome patikimų įrodymų, kad RNR gali padaryti viską, ko iš jo reikalauja teorija. Tai maža sumani molekulė, tačiau ji gali nepajėgi visko padaryti.
Viena buvo aišku. Jei gyvenimas prasidėjo nuo RNR molekulės, RNR turėjo sugebėti pasidaryti iš savęs kopijas: ji turėjo savarankiškai daugintis, savarankiškai daugintis.
Tačiau nė viena iš žinomų RNR negali atkartoti savęs. Taip yra ir DNR. Jiems reikia bataliono fermentų ir kitų molekulių, kad būtų sukurta RNR arba DNR kopija ar gabalas.
Todėl devintojo dešimtmečio pabaigoje keli mokslininkai pradėjo labai kvesotinius ieškojimus. Jie nusprendė savarankiškai sukurti save replikuojančią RNR.
Džekas Šostakas
Jackas Shostakas iš Harvardo medicinos mokyklos buvo vienas iš pirmųjų. Būdamas vaikas, jis taip susižavėjo chemija, kad savo namo rūsyje pradėjo laboratoriją. Nepaisydamas savo saugumo, jis kartą surengė net sprogimą, po kurio stiklo vamzdis buvo įstrigęs lubose.
Devintojo dešimtmečio pradžioje Shostak padėjo parodyti, kaip genai apsisaugo nuo senėjimo proceso. Šis gana ankstyvas tyrimas jam uždirbo Nobelio premijos dalį. Tačiau labai greitai jis žavėjosi Cecho RNR fermentais. „Aš maniau, kad šis darbas yra nuostabus“, - sako jis. "Iš esmės visiškai įmanoma, kad RNR katalizuoja savo paties reprodukciją."
1988 m. Cechas atrado RNR fermentą, kuris gali sudaryti trumpą RNR molekulę, kurios ilgis yra 10 nukleotidų. Shostakas nusprendė pagerinti atradimą, laboratorijoje gamindamas naujus RNR fermentus. Jo komanda sukūrė atsitiktinių sekų rinkinį ir patikrino, ar kuris nors iš jų turi katalizinių sugebėjimų. Tada jie paėmė tas sekas, perdarė jas ir vėl išbandė.
Po 10 tokių veiksmų etapų „Shostak“pagamino RNR fermentą, kuris septynis milijonus kartų pagreitino reakciją. Jis parodė, kad RNR fermentai gali būti tikrai galingi. Bet jų fermentas negalėjo net pats save nukopijuoti. Šostakas atsidūrė aklavietėje.
Gal gyvenimas prasidėjo ne nuo RNR
Kitas didelis žingsnis buvo žengtas 2001 m., Buvęs „Shostak“studentas Davidas Bartelis iš Masačusetso technologijos instituto Kembridže. Bartelis pagamino R18 RNR fermentą, kuris, remdamasis esamu šablonu, RNR grandinėje galėjo pridėti naujų nukleotidų. Kitaip tariant, jis nepridėjo atsitiktinių nukleotidų: jis teisingai nukopijavo seką.
Nors tai dar nebuvo savireplikatorius, bet jau kažkas panašaus. R18 sudarė 189 nukleotidų grandinė ir galėjo patikimai pridėti 11 nukleotidų prie grandinės: 6% savo ilgio. Buvo tikimasi, kad keli patobulinimai leis jam sukurti 189 nukleotidų grandinę - kaip ir jis pats.
Geriausiai tai padarė Philipas Holligeris iš Molekulinės biologijos laboratorijos Kembridže 2011 m. Jo komanda sukūrė modifikuotą R18, vadinamą tC19Z, kuri nukopijavo iki 95 nukleotidų ilgio sekas. Tai sudaro 48% jos ilgio: daugiau nei R18, bet toli gražu ne 100%.
Alternatyvų požiūrį pasiūlė Geraldas Joyce'as ir Tracy Lincoln iš Scripps instituto La Jolla mieste, Kalifornijoje. 2009 m. Jie sukūrė RNR fermentą, kuris dauginasi netiesiogiai. Jų fermentas sujungia du trumpus RNR gabalus, kad būtų sukurtas antrasis fermentas. Tada jis sujungia kitus du RNR gabalus, kad būtų atkurtas pirminis fermentas.
Atsižvelgiant į tai, kad yra žaliavų, šį paprastą ciklą galima tęsti neribotą laiką. Bet fermentai veikė tik tada, kai jiems buvo paskirtos teisingos RNR grandinės, kurias turėjo padaryti Joyce'as ir Linkolnas.
Daugeliui mokslininkų, skeptiškai vertinančių „RNR pasaulį“, savarankiškos replikacijos RNR stoka yra lemtinga šios hipotezės problema. RNR, matyt, tiesiog negali imti ir pradėti gyvenimo.
Problemą taip pat apsunkino chemikų nesugebėjimas sukurti RNR nuo nulio. Atrodytų, paprasta molekulė, palyginti su DNR, tačiau ją pagaminti yra nepaprastai sunku.
Problema slypi cukruje ir bazėje, iš kurių susidaro kiekvienas nukleotidas. Galite padaryti kiekvieną iš jų atskirai, tačiau jie atkakliai atsisako įsitraukti. Dešimtojo dešimtmečio pradžioje ši problema tapo akivaizdi. Daugelis biologų įtarė, kad „RNR pasaulio“hipotezė, nepaisant viso patrauklumo, gali būti ne visai teisinga.
Vietoj to, ankstyvojoje Žemėje galėjo būti kito tipo molekulės: kažkas paprastesnio nei RNR, kuri iš tikrųjų galėtų pasiimti save iš pirmapradės sriubos ir pradėti save atkartoti. Pirmiausia gali būti ši molekulė, kuri vėliau paskatino RNR, DNR ir pan.
Vargu ar DNR galėjo susiformuoti ankstyvojoje Žemėje
1991 m. Peteris Nielsenas iš Kopenhagos universiteto Danijoje sugalvojo kandidatą į pirminius replikatorius.
Iš esmės tai buvo smarkiai modifikuota DNR versija. „Nielsen“laikė tas pačias bazes - A, T, C ir G -, rastas DNR, bet padarė stuburą iš molekulių, vadinamų poliamidais, o ne iš cukrų, kurie taip pat randami DNR. Jis pavadino naujos molekulės poliamido nukleorūgštį arba PNR. Nesuprantamu būdu nuo tada ji tapo žinoma kaip peptido nukleino rūgštis.
PNA niekada nebuvo rasta gamtoje. Bet ji elgiasi beveik kaip DNR. PNR grandinė netgi gali užimti vieną iš DNR molekulės sruogų, o bazės suporuojamos kaip įprasta. Be to, PNA gali susisukti į dvigubą spiralę, kaip ir DNR.
Stanley Milleris buvo suintriguotas. Giliai skeptiškai žiūrėdamas į RNR pasaulį, jis įtarė, kad PNR yra daug labiau tikėtina kandidatas į pirmąją genetinę medžiagą.
2000 m. Jis pateikė keletą svarių įrodymų. Tuo metu jam jau sukako 70 metų ir jis buvo patyręs keletą insultų, galinčių jį nusiųsti į globos namus, tačiau jis nepasidavė. Jis pakartojo savo klasikinį eksperimentą, kurį aptarėme pirmame skyriuje, šį kartą naudodamas metaną, azotą, amoniaką ir vandenį - ir gavo poliamido bazinę PNA.
Tai leido manyti, kad PNA, skirtingai nei RNR, galėjo susidaryti ankstyvojoje Žemėje.
Threose nukleino rūgšties molekulė
Kiti chemikai sugalvojo savo alternatyvias nukleino rūgštis.
2000 m. Albertas Eschenmoseris pagamino trezės nukleorūgštį (TNK). Tai ta pati DNR, bet su kitokiu cukrumi prie pagrindo. TNC grandinės gali sudaryti dvigubą spiralę, o informacija nukopijuojama abiem kryptimis tarp RNR ir TNK.
Be to, TNC gali sulankstyti į sudėtingas formas ir net prisijungti prie baltymų. Tai rodo, kad TNK gali veikti kaip fermentas, kaip ir RNR.
2005 m. Ericas Meggesas pagamino glikolio nukleorūgštį, galinčią sudaryti spiralines struktūras.
Kiekviena iš šių alternatyvių nukleorūgščių turi savo šalininkų. Bet gamtoje nerandama jokių jų pėdsakų, taigi, jei pirmasis gyvenimas juos iš tikrųjų naudojo, tam tikru momentu jis turėjo jų visiškai atsisakyti RNR ir DNR naudai. Tai gali būti tiesa, tačiau įrodymų nėra.
Todėl iki 2000-ųjų vidurio RNR pasaulio šalininkai susidūrė su keblumais.
Viena vertus, RNR fermentai egzistavo ir apėmė vieną iš svarbiausių biologinės inžinerijos dalių - ribosomą. Gerai.
Bet savarankiškai replikavusių RNR nerasta ir niekas negalėjo suprasti, kaip RNR susidarė pirmykštėje sriuboje. Pastarąją problemą galėtų išspręsti alternatyvios nukleorūgštys, tačiau nėra įrodymų, kad jos egzistavo gamtoje. Nėra labai geras.
Akivaizdi išvada buvo ta, kad „RNR pasaulis“, nepaisant patrauklumo, pasirodė kaip mitas.
Tuo tarpu kitokia teorija pamažu įgavo pagreitį nuo devintojo dešimtmečio. Jos šalininkai tvirtina, kad gyvenimas prasidėjo ne nuo RNR, DNR ar kitos genetinės medžiagos. Vietoj to, jis prasidėjo nuo energijos panaudojimo mechanizmo.
Gyvenimui reikia energijos, kad išliktų gyvas
ILYA KHEL
- Pirma dalis: Kaip sudaryti ląstelę -
- Antra dalis: Mokslininkų gretos pasiskirstymas -
- Ketvirta dalis: protonų energija -
- Penkta dalis: Taigi kaip sukurti ląstelę? -
- Šeštoji dalis: Didysis susivienijimas -