- Prvi dio: Kako napraviti ćeliju -
- Drugi dio: Podjela u redovima znanstvenika -
- Četvrti dio: energija protona -
- Peti dio: pa kako stvoriti ćeliju? -
- Šesti dio: Veliko sjedinjenje -
Dakle, nakon šezdesetih godina prošlog stoljeća, znanstvenici koji su pokušali razumjeti podrijetlo života svrstali su se u tri skupine. Neki od njih bili su uvjereni da je život počeo formiranjem primitivnih verzija bioloških stanica. Drugi su vjerovali da je metabolički sustav ključni prvi korak, dok su se drugi usredotočili na važnost genetike i replikacije. Ova posljednja skupina počela je smišljati kako bi mogao izgledati prvi replikator, pretpostavljajući da je načinjen od RNA.
Već u 1960-ima znanstvenici su imali razloga vjerovati da je RNA izvor cijelog života.
RNA može posebno učiniti nešto što DNK ne može. To je jednolančana molekula, tako da se za razliku od krute, dvolančane DNK, može saviti u više različitih oblika.
Slično origamiju, sklopiva RNA uglavnom je bila slična u odnosu na proteine. Proteini su također uglavnom dugi lanci - samo aminokiseline, a ne nukleotidi - i to im omogućuje stvaranje složenih struktura.
Ovo je ključ za najčudesniju sposobnost proteina. Neki od njih mogu ubrzati ili "katalizirati" kemijske reakcije. Takvi proteini su poznati kao enzimi.
Mnogi enzimi mogu se naći u vašim crijevima, gdje razgrađuju složene molekule iz hrane na jednostavne vrste šećera koje vaše stanice mogu koristiti. Bilo bi nemoguće živjeti bez enzima.
Leslie Orgel i Frances Crick počinjali su nešto sumnjati. Ako se RNA može saviti poput proteina, možda može tvoriti enzime? Ako je to istina, onda bi RNA mogla biti izvorna - i univerzalna - živa molekula, pohranjivanje podataka, kao što to čini sada DNK i katalizirajuće reakcije, kao što to čine neki proteini.
Bila je to sjajna ideja, ali za deset godina nije dobila nikakav dokaz.
Promotivni video:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech rođen je i odrastao u Iowi. Kao dijete bio je očaran stijenama i mineralima. I već u srednjoj školi pogledao je lokalno sveučilište i pokucao na vrata geologa sa zahtjevom da pokaže modele mineralnih građevina.
Međutim, na kraju je postao biokemičar i fokusiran na RNA.
U ranim 1980-im, Cech i kolege sa Sveučilišta u Coloradu u Boulderu proučavali su jednocelični organizam Tetrahymena thermophila. Dio njegovih staničnih strojeva uključuje i RNA žice. Cech je otkrio da je jedan segment RNA nekako odvojen od ostatka, kao da je izrezan škarama.
Kada su znanstvenici uklonili sve enzime i ostale molekule koje bi mogle djelovati kao molekularne škare, RNA je nastavila izlučivati. Tako su pronašli prvi enzim RNA: kratak komad RNA koji se može izrezati iz dugog niza čiji je dio.
Cech je rezultate svog rada objavio 1982. godine. Sljedeće godine, druga skupina znanstvenika otkrila je drugi RNA enzim, „ribozim“(skraćeno za „ribonukleinska kiselina“i „enzim“, aka enzim). Otkrivanje dva enzima RNA jedan za drugim ukazivalo je na to da ih mora biti mnogo više. I tako je ideja o započinjanju života s RNA počela izgledati solidno.
Međutim, ime je ove ideje dao Walter Gilbert sa Sveučilišta Harvard u Cambridgeu, Massachusetts. Kao fizičar s fascinacijom molekularnom biologijom, Gilbert je također postao jedan od prvih pobornika sekvenciranja ljudskog genoma.
Godine 1986. Gilbert je u Natureu napisao da je život započeo u "RNA svijetu".
Prva faza evolucije, tvrdio je Gilbert, sastojala se od "RNA molekula koje vrše katalitičku aktivnost potrebnu da bi se spojile u juhu nukleotida." Kopiranjem i lijepljenjem različitih bita RNA zajedno, RNA molekule mogle bi stvoriti još korisnije sekvence. Napokon, pronašli su način da stvore proteine i proteinske enzime koji su se pokazali toliko korisnim da su u velikoj mjeri zamijenili verzije RNK i stvorili život koji imamo.
RNA World elegantan je način obnove složenih života ispočetka. Umjesto da se oslanjaju na istovremeno stvaranje desetaka bioloških molekula iz prvobitne juhe, molekul "jedan za sve" mogao bi učiniti posao.
2000. godine, hipoteza RNA svijeta dobila je ogroman komad potpornih dokaza.
Ribosom čini proteine
Thomas Steitz proveo je 30 godina proučavajući strukturu molekula u živim stanicama. Devedesetih godina posvetio se svom najozbiljnijem zadatku: odgonetnuti strukturu ribosoma.
U svakoj živoj stanici postoji ribosom. Ova ogromna molekula čita upute u RNA i uređuje aminokiseline kako bi napravila proteine. Ribosomi u vašim stanicama izgradili su većinu vašeg tijela.
Za ribosom je poznato da sadrži RNA. No, 2000. godine, Steitzov je tim izradio detaljnu sliku strukture ribosoma, koja je pokazala da je RNA katalitička jezgra ribosoma.
To je bilo važno jer je ribosom bitno za život i istovremeno vrlo drevan. Činjenica da je ovaj ključni stroj izgrađen na RNA učinila je hipotezu RNA svijeta još vjerodostojnijom.
Pristalice "svijeta RNA" trijumfirale su, a 2009. godine Steitz je dobio dio Nobelove nagrade. Ali od tada znanstvenici su počeli sumnjati. Ideja o "svijetu RNA" imala je od samog početka dva problema. Može li RNA doista samostalno obavljati sve životne funkcije? Je li se mogao formirati na ranoj Zemlji?
Prošlo je 30 godina od kako je Gilbert postavio temelje "svijetu RNA", a mi još uvijek nismo pronašli čvrste dokaze da RNA može učiniti sve što teorija zahtijeva od nje. To je mala vješta molekula, ali možda neće moći sve.
Jedno je bilo jasno. Ako je život započeo molekulom RNA, RNA je morala biti u mogućnosti da napravi kopije sebe: morala se samoobnavljati, ponavljati se.
Ali niti jedna poznata RNA ne može se replicirati. Tako je i s DNK. Potreban im je bataljon enzima i drugih molekula da bi stvorili kopiju ili komad RNA ili DNK.
Stoga je u kasnim 80-ima nekoliko znanstvenika započelo vrlo quixotic potragu. Odlučili su samostalno stvoriti RNK koja se ponavlja.
Jack Shostak
Jack Shostak s Medicinskog fakulteta s Harvarda bio je jedan od prvih koji je sudjelovao. Kao dijete toliko ga je fascinirala kemija da je pokrenuo laboratorij u podrumu svoje kuće. Zanemarujući vlastitu sigurnost, jednom je čak upalio eksploziju, nakon čega se u strop zabila staklena cijev.
Početkom 1980-ih, Shostak je pomogao pokazati kako se geni štite od procesa starenja. Ova prilično rana studija na kraju mu je donijela dio Nobelove nagrade. Međutim, vrlo brzo divio se Cechovim RNA enzimima. "Mislio sam da je ovaj posao sjajan", kaže on. "U principu, potpuno je moguće da RNA katalizira vlastitu reprodukciju."
Godine 1988. Cech je otkrio enzim RNA koji može izgraditi kratku molekulu RNA dugu 10 nukleotida. Shostak je odlučio poboljšati otkriće proizvodeći nove RNA enzime u laboratoriju. Njegov je tim stvorio niz slučajnih sekvenci i testirao je da li bilo koji od njih ima katalitičke sposobnosti. Zatim su uzeli te sekvence, preradili ih i ponovo ih testirali.
Nakon 10 rundi takvih akcija, Shostak je proizveo enzim RNA koji je ubrzao reakciju sedam milijuna puta. Pokazao je da RNA enzimi mogu biti zaista snažni. Ali njihov enzim nije mogao kopirati sam, čak ni malo. Shostak je bio u ćorsokaku.
Možda život nije počeo s RNA
Sljedeći je veliki korak učinio 2001. godine bivši Shostakov student David Bartel s Massachusetts Institute of Technology u Cambridgeu. Bartel je napravio R18 enzim RNA koji je mogao dodati nove nukleotide u niz RNA na temelju postojećeg obrasca. Drugim riječima, nije dodavao slučajne nukleotide: pravilno je kopirao slijed.
Iako još nije bio samoobnavljač, već već nešto slično. R18 sastojao se od lanca od 189 nukleotida i mogao je pouzdano dodati 11 nukleotida u lanac: 6% njegove vlastite duljine. Nadala se da će mu nekoliko potezanja omogućiti izgradnju 189 nukleotidnog lanca - baš kao i on sam.
Najbolje je to učinio Philip Holliger 2011. godine iz Laboratorija za molekularnu biologiju u Cambridgeu. Njegov tim stvorio je modificirani R18 pod nazivom tC19Z koji je kopirao sekvence duljine do 95 nukleotida. To je 48% njegove duljine: više od R18, ali daleko od 100%.
Alternativni pristup predložili su Gerald Joyce i Tracy Lincoln s Instituta Scripps u La Jolli, Kalifornija. 2009. godine stvorili su enzim RNA koji se neizravno replicira. Njihov enzim kombinira dva kratka komada RNA da bi stvorio drugi enzim. Zatim kombinira ostala dva dijela RNA da bi se stvorio izvorni enzim.
S obzirom na dostupnost sirovina, ovaj se jednostavni ciklus može nastaviti neograničeno. Ali enzimi su djelovali samo kad su im dobili ispravne žice RNA, što su Joyce i Lincoln morali učiniti.
Za mnoge znanstvenike koji su skeptični prema "svijetu RNA", nedostatak samoobnavljajuće RNA fatalan je problem ove hipoteze. RNA, naizgled, jednostavno ne može preuzeti i započeti život.
Problem je bio sastavljen i zbog neuspjeha kemičara da stvore RNA ispočetka. Činilo bi se jednostavnom molekulom u usporedbi s DNK-om, ali izuzetno je teško napraviti je.
Problem leži u šećeru i bazi koji čine svaki nukleotid. Možete ih učiniti zasebno, ali oni tvrdoglavo odbijaju da se uključe. Početkom 1990-ih taj je problem postao očigledan. Mnogi biolozi sumnjaju da hipoteza "svijeta RNA", usprkos svojoj privlačnosti, možda nije posve točna.
Umjesto toga, na ranoj Zemlji možda je postojala neka druga vrsta molekula: nešto jednostavnija od RNA, koja bi se zapravo mogla pokupiti iz prvobitne juhe i početi se ponavljati. Prvo bi mogla postojati ova molekula, koja je potom dovela do RNA, DNK i tako dalje.
DNK se jedva mogao formirati na ranoj Zemlji
Godine 1991. Peter Nielsen sa Sveučilišta u Kopenhagenu u Danskoj došao je s kandidatom za primarne replikatore.
To je u osnovi bila izmijenjena verzija DNK. Nielsen je zadržao iste baze - A, T, C i G - koje se nalaze u DNK - ali je načinio kičmu od molekula nazvanih poliamidi, a ne od šećera, koji se nalaze i u DNK. Nazvao je novu molekulu poliamidnom nukleinskom kiselinom, ili PNA. Na neshvatljiv način, od tada je postala poznata kao nukleinska kiselina peptida.
PNA nikad nije pronađena u prirodi. Ali ponaša se gotovo poput DNK. PNA lanac može čak zauzeti mjesto jednog od lanaca molekule DNA, a baze su uparene kao i obično. Štoviše, PNA se može uviti u dvostruku spiralu, poput DNK.
Stanley Miller je bio zaintrigiran. Duboko skeptičan prema RNA svijetu, posumnjao je da je PNA mnogo vjerojatniji kandidat za prvi genetski materijal.
2000. godine iznio je neke čvrste dokaze. Do tada je već napunio 70 godina i pretrpio je nekoliko udaraca koji su ga mogli poslati u starački dom, ali nije odustao. Ponovio je svoj klasični eksperiment, o kojem smo razgovarali u prvom poglavlju, ovaj put koristeći metan, dušik, amonijak i vodu - i dobio poliamidnu bazu PNA.
Ovo sugerira da se PNA, za razliku od RNA, mogla dobro formirati na ranoj Zemlji.
Molekula molekule nukleinske kiseline
Drugi kemičari smislili su svoje alternativne nukleinske kiseline.
Godine 2000., Albert Eschenmoser je napravio treo nukleinsku kiselinu (TNK). To je isti DNK, ali s različitim šećerom u bazi. TNC lanci mogu tvoriti dvostruku spiraliju, a informacije se kopiraju u oba smjera između RNA i TNK.
Štoviše, TNC se mogu saviti u složene oblike i čak se vežu za proteine. To nagovještava da TNK može djelovati kao enzim, poput RNA.
Eric Megges je 2005. godine napravio glikolnu nukleinsku kiselinu koja može tvoriti spiralne strukture.
Svaka od ovih alternativnih nukleinskih kiselina ima svoje pristalice. Ali nikakve tragove od njih ne možemo pronaći u prirodi, pa ako ih je prvi život stvarno upotrijebio, u jednom ih je trenutku morao potpuno napustiti u korist RNA i DNK. To je možda istina, ali nema dokaza.
Kao rezultat toga, sredinom 2000-ih pristaše svijeta RNA našle su se u neredu.
S jedne strane, postojali su RNA enzimi koji su obuhvaćali jedan od najvažnijih dijelova biološkog inženjeringa, ribosom. Dobro.
Ali RNK koja se sama preslikava nije pronađena i nitko nije mogao razumjeti kako se RNA formira u prvotnoj juhi. Alternativne nukleinske kiseline mogle bi riješiti potonji problem, ali nema dokaza da su one postojale u prirodi. Ne baš dobro.
Očiti zaključak bio je da se "svijet RNA", unatoč svojoj atraktivnosti, pokazao kao mit.
U međuvremenu, drugačija teorija postupno je dobivala na značaju od 1980-ih. Njegovi pristaše tvrde da život nije počeo s RNA, DNK ili drugim genetskim materijalom. Umjesto toga, počelo je s mehanizmom za iskorištavanje energije.
Životu je potrebna energija da ostane živ
ILYA KHEL
- Prvi dio: Kako napraviti ćeliju -
- Drugi dio: Podjela u redovima znanstvenika -
- Četvrti dio: energija protona -
- Peti dio: pa kako stvoriti ćeliju? -
- Šesti dio: Veliko sjedinjenje -