Jak se životu podařilo spojit nesčetné množství částí? První formy života na Zemi přinejmenším potřebovaly způsob, jak ukládat a reprodukovat informace. Teprve potom mohou sami kopírovat a šířit se po celém světě. Možná, že chemie hrála v původu života mnohem důležitější roli, než se dříve myslelo.
Jednou z nejvlivnějších hypotéz je, že vše začalo s RNA, molekulou, která dokáže současně zaznamenávat genetické záznamy a spouštět chemické reakce. Hypotéza „RNA světa“se projevuje v mnoha podobách, ale podle nejtradičnějšího života začal život tvorbou molekuly RNA schopné se reprodukovat. Její potomci si vyvinuli schopnost plnit mnoho úkolů, jako je výroba nových sloučenin a ukládání energie. Postupem času následoval těžký život.
Vědci však zjistili, že samoreplikující se RNA je v laboratoři překvapivě obtížné vytvořit. Podařilo se jim, ale dosud vyrobené kandidátní molekuly mohou reprodukovat pouze RNA určité sekvence nebo délky. Kromě toho jsou tyto molekuly RNA samy o sobě poměrně složité, což vyvolává otázky o tom, jak by mohly být vytvořeny vůlí chemické havárie.
Nick Hud, chemik z gruzínského technologického institutu, a jeho kolegové se rozhodli jít za hranice biologie a studovat možnou roli chemie v původu života. Možná, před vznikem biologie, existovalo předběžné stadium proto-života, ve kterém pouze chemické procesy vytvořily "bufet" RNA a RNA-podobných molekul. "Myslím, že došlo k několika krokům, které vedly k samoreprodukčnímu soběstačnému systému," říká Hud.
V tomto scénáři by se mohly spontánně tvořit různé molekuly podobné RNA, což pomůže chemickému bujónu současně vynalézat mnoho detailů nezbytných pro rozvoj života. Proto-life formy experimentovaly s primitivním molekulárním inženýrstvím a rozebíraly ho kousek po kousku. Celý systém fungoval jako obrovská drtivost. Teprve když byl takový systém zaveden, objevila se samoreplikující se RNA.
V centru Hudova návrhu jsou chemické prostředky k vytvoření tak bohaté rozmanitosti proto-života. Počítačové simulace ukazují, že určité chemické podmínky mohou produkovat rozmanitou sbírku molekul podobných RNA. Tým v současné době testuje tuto myšlenku se skutečnými molekulami v laboratoři a doufá, že brzy představí výsledky.
Hudova skupina připravuje cestu pro řadu vědců, kteří zpochybňují tradiční hypotézu světa RNA a její závislost na biologické, nikoli chemické, evoluci. V tradičním modelu bylo nové molekulární inženýrství vytvořeno pomocí biologických katalyzátorů - enzymů - jako je tomu u moderních buněk. Během Hudova proto-life stádia se mohly čistě chemické prostředky tvořit a měnit nesčetné množství RNA nebo molekul podobných RNA. "Chemická evoluce mohla pomoci začít život bez enzymů," říká Hud.
Propagační video:
Hud a jeho kolegové se rozhodli jít ještě dále a předpokládat, že ribosom, jediná část biologického inženýrství přítomná ve všech živých věcech dnes, vyšel zcela z chemie. To je neobvyklý způsob pohledu na věci, protože mnozí věří, že ribozom se narodil biologií.
Pokud Hudův tým dokáže vytvořit formy proto-života v podmínkách, které mohly existovat na počátku Země, lze předpokládat, že chemická evoluce mohla hrát mnohem důležitější roli v původu života, než očekávali vědci. „Darwinovské evoluci mohla předcházet jednodušší forma evoluce,“říká Niels Lehman, biochemik na Portland University v Oregonu.
Předarwinovský svět
Když většina přemýšlí o evoluci, přijde na mysl darwinovská evoluce, ve které si organismy navzájem konkurují o omezené zdroje a předávají genetické informace svým potomkům. Každá generace prochází genetickými korekcemi a nejúspěšnější potomci přežijí, aby předali své geny. Tento způsob evoluce převládá v moderním životě.
Karl Woese, renomovaný biolog, který nám dal moderní strom života, věřil, že darwinovské době předcházelo rané stádium života, ovládané zcela odlišnými evolučními silami. Woese věřil, že pro jednu buňku by bylo téměř nemožné získat vše, co potřebuje k životu. Představil si proto celou řadu molekul zapojených do komunální existence. Místo toho, aby si navzájem konkurovaly, sdílely primitivní buňky molekulární inovace. Tento předarwinovský vývar vytvořil ingredience potřebné pro složitý život a připravil cestu pro nádherné zvěřince, které dnes na Zemi vidíme.
Hudův model posouvá Woeseovu předarwinovskou časovou vizi ještě dále zpět v čase a poskytuje primitivním buňkám chemické prostředky k vytvoření molekulární rozmanitosti. Jedna forma proto-života by mohla vymyslet způsob, jak vytvořit bloky, které potřebuje k vytvoření sebe, jiná by mohla najít způsob, jak získat energii. Tento model se liší od tradiční hypotézy světa RNA v jeho závislosti na chemické spíše než na biologické evoluci.
Ve světě RNA se první molekuly RNA rozmnožovaly pomocí zabudovaného enzymu ribozym, který se skládá z RNA. Ve světě Hudova proto-života byl tento úkol prováděn výhradně chemickými metodami. Příběh začíná chemickou polévkou molekul podobných RNA. Většina z nich byla krátká, protože krátké řetězce by se s největší pravděpodobností vytvářely spontánně, ale mohly by existovat i delší složité molekuly. Hudův model popisuje, jak by bylo možné reprodukovat delší molekuly bez pomoci enzymu.
Hud věří, že v prebiotickém světě procházel primární vývar RNA pravidelnými cykly zahřívání a chlazení a stal se hustým a viskózním. Teplo oddělilo vázané dvojice RNA a viskózní roztok udržoval molekuly na chvíli oddělený. Mezitím jsou ke každému dlouhému řetězci připojeny malé segmenty RNA, dlouhé pouze několik znaků. Tyto malé segmenty byly postupně sešity dohromady a vytvořily nový řetězec RNA odpovídající původnímu dlouhému řetězci. Potom cyklus začal znovu.
Chemické dráhy replikace RNA
Postupem času, kdy se vývar různých molekul podobných RNA rozšiřoval a rostl, získaly některé z nich jednoduché funkce, jako je metabolismus. Podobně by čisté chemické reakce mohly vést k molekulární rozmanitosti a vytvořit prearwinovskou hojnost woézského proto-života.
Hudově skupině se podařilo dokončit raná stádia reprodukčního procesu v laboratoři, přestože se dosud nenaučili, jak přilepit krátké segmenty bez použití biologických nástrojů. Pokud dokážou tuto překážku překonat, vytvoří univerzální způsob reprodukce RNA.
Někteří vědci však pochybují, že chemicky zprostředkovaná reprodukce bude dostatečně dobrá k reprodukci předarwinovského světa, který popisuje Hud. "Nevím, jestli tomu věřím," říká Paul Higgs, biofyzik na McMaster University v Hamiltonu, Ontario, který studuje původ života. "Všechno se musí stát rychle a přesně, aby se dosáhlo konzistence." To znamená, že tento proces musí produkovat nové RNA rychleji, než jsou zničeny, a dostatečně přesně, aby vytvořily přibližné kopie molekul templátu.
Samotné chemické změny nestačí k tomu, aby přinesly život. Vývar proto-života stále potřeboval nějaký druh selekce, který by zajistil, že prospěšné molekuly budou prosperovat a množit se. Ve svém modelu Hadaova skupina navrhuje, že by se mohly objevit a šířit nejjednodušší proto-enzymy, což začalo prospívat jejich tvůrcům a společnosti obecně. Například molekula RNA, která produkovala více stavebních bloků, prospívala sobě i svým sousedům tím, že jim poskytla další suroviny pro reprodukci. Počítačové simulace provedené Hudovou skupinou ukázaly, že tento typ molekuly může dobře zakořenit. Ten, kdo obohacuje vývar, je velmi užitečný.
Ribozomální kořeny
Jeden možný pohled na předarwinovský svět lze vidět v ribozomu, starém kusu molekulárního stroje, který je základem našeho genetického kódu. Je to enzym, který převádí RNA, která kóduje genetické informace, na proteiny, které v našich buňkách provádějí mnoho chemických reakcí.
Ribozomové jádro se skládá z RNA. Díky tomu je ribozom jedinečný - drtivou většinu enzymů v našich buňkách tvoří proteiny. Ribozomální jádro i genetický kód jsou společné pro všechny živé bytosti, což naznačuje jejich existenci na samém začátku vývoje života, možná ještě před překročením darwinovského prahu.
Hud a jeho kolega Lauren Williams, také z Georgia Tech, poukazují na ribosom jako na podporu své teorie chemicky definovaného světa. V příspěvku zveřejněném minulý rok učinili kontroverzní prohlášení: jádro ribozomu bylo vytvořeno chemickou evolucí. A také navrhli, že se objevil ještě před objevením první samoreplikující se molekuly RNA. Ribozomální jádro mohlo být úspěšným experimentem v chemické evoluci. A poté, co zakořenil v předarwinovském vývaru, překročil darwinovský práh a stal se důležitou součástí celého života.
Jejich argument se opírá o relativní jednoduchost ribozomálního jádra, formálně známého jako centrum peptidyltransferázy (PTC). Úkolem PTC je dát dohromady aminokyseliny, stavební bloky proteinů. Na rozdíl od tradičních enzymů, které urychlují chemické reakce pomocí „chytrých chemických triků“, funguje jako vysoušedlo. Přesvědčí dvě aminokyseliny, aby se spojily pouhým odstraněním molekuly vody. "Je to tak špatný způsob, jak vyvolat reakci," říká Lehman. "Proteinové enzymy se obvykle spoléhají na silnější chemické strategie."
Lehman poznamenává, že jednoduchosti pravděpodobně předcházela síla v nejranějších fázích života. "Když přemýšlíš o původu života, musíš nejprve myslet na jednoduchou chemii;" každý proces nejjednodušší chemie bude pravděpodobně starověký, říká. "Myslím, že je to přesvědčivější argument, než skutečnost, že patří do celého života."
Navzdory silným důkazům je stále těžké si představit, jak by mohlo být ribozomální jádro vytvořeno v důsledku chemické evoluce. Enzym, který se více sám o sobě - jako replikátor RNA ve světové hypotéze RNA - automaticky vytvoří uzavřenou smyčku, která neustále zvyšuje svou vlastní produktivitu. Naproti tomu ribozomální jádro nevytváří více ribozomálních jader. Produkuje náhodné řetězce aminokyselin. Není jasné, jak by tento proces měl stimulovat produkci více ribozomů.
Hud a jeho kolegové spekulují, že RNA a proteiny se vyvíjely v tandemu, a kdo přišel na to, jak spolupracovat, přežil. Tato myšlenka postrádá jednoduchost světa RNA, který postuluje existenci jediné molekuly schopné současně kódovat informace a katalyzovat chemické reakce. Ale Hud věří jinak: je to složitost, která přidává eleganci ke vzniku života.
"Myslím, že vždy byl kladen velký důraz na jednoduchost, že jeden polymer je lepší než dva," říká. "Může být snazší získat konkrétní reakce, pokud oba polymery spolupracují." Pro polymery by mohlo být snazší spolupracovat od začátku. “
Na základě materiálů z časopisu Quanta