- První část: Jak vytvořit buňku -
- Druhá část: Rozdělení v řadách vědců -
- Část čtvrtá: energie protonů -
- Část pět: jak tedy vytvoříte buňku? -
- Část šestá: Velké sjednocení -
Po 60. letech se tedy vědci, kteří se snažili pochopit původ života, rozpadli do tří skupin. Někteří z nich byli přesvědčeni, že život začal vytvořením primitivních verzí biologických buněk. Jiní věřili, že metabolický systém je klíčovým prvním krokem, zatímco jiní se zaměřují na význam genetiky a replikace. Tato poslední skupina začala vymýšlet, jak by mohl vypadat první replikátor, za předpokladu, že byl vyroben z RNA.
Již v 60. letech měli vědci důvod se domnívat, že RNA byla zdrojem veškerého života.
Zejména RNA může udělat něco, co DNA nemůže. Je to jednovláknová molekula, takže na rozdíl od rigidní dvouvláknové DNA se může složit do řady různých tvarů.
Podobně jako origami byla skládací RNA obecně chována jako proteiny. Proteiny jsou také většinou dlouhé řetězce - pouze aminokyseliny, nikoli nukleotidy - a to jim umožňuje vytvářet složité struktury.
To je klíč k nejúžasnější schopnosti bílkovin. Některé z nich mohou urychlit nebo „katalyzovat“chemické reakce. Takové proteiny jsou známé jako enzymy.
Ve vašich střevech se nachází mnoho enzymů, kde rozkládají složité molekuly z potravy na jednoduché typy cukrů, které mohou vaše buňky použít. Bylo by nemožné žít bez enzymů.
Leslie Orgel a Frances Cricková začali něco podezřívat. Pokud se RNA může složit jako protein, může tvořit enzymy? Pokud by to byla pravda, pak by RNA mohla být původní - a univerzální - živou molekulou, ukládající informace, stejně jako DNA nyní, a katalyzující reakce, jako některé proteiny.
Byl to skvělý nápad, ale za deset let nedostal žádný důkaz.
Propagační video:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech se narodil a vyrůstal v Iowě. Jako dítě ho fascinovaly kameny a minerály. A už na střední škole se podíval na místní univerzitu a zaklepal na dveře geologů s požadavkem ukázat modely minerálních struktur.
Nakonec se však stal biochemikem a zaměřil se na RNA.
Na počátku 80. let studovali Cech a jeho kolegové na University of Colorado v Boulderu jednobuněčný organismus Tetrahymena thermophila. Součástí jeho buněčného aparátu jsou řetězce RNA. Cech zjistil, že jeden segment RNA byl nějak oddělen od zbytku, jako by byl vystřihován nůžkami.
Když vědci odstranili všechny enzymy a další molekuly, které mohly působit jako molekulární nůžky, RNA se nadále vylučovala. Našli tedy první enzym RNA: krátký kousek RNA, který se může vystřihnout z dlouhého řetězce, jehož je součástí.
Výsledky své práce zveřejnil v roce 1982. Následující rok, další skupina vědců objevila druhý RNA enzym, “ribozyme” (zkratka pro “ribonucleic kyselinu” a “enzym”, aka enzym). Objev dvou enzymů RNA jeden po druhém naznačil, že jich musí být mnohem víc. A tak myšlenka na zahájení života s RNA začala vypadat solidně.
Název této myšlenky však uvedl Walter Gilbert z Harvardské univerzity v Cambridge v Massachusetts. Jako fyzik s fascinací molekulární biologií se Gilbert také stal jedním z prvních zastánců sekvenování lidského genomu.
V roce 1986 Gilbert v Nature napsal, že život začal ve „RNA světě“.
Gilbert argumentoval, že první stadium evoluce sestává z „molekul RNA provádějících katalytickou aktivitu nezbytnou pro sestavení sebe do vývaru nukleotidů“. Zkopírováním a vložením různých bitů RNA dohromady mohou molekuly RNA vytvořit ještě užitečnější sekvence. Nakonec našli způsob, jak vytvořit proteiny a proteinové enzymy, které se ukázaly tak užitečné, že do velké míry nahradily verze RNA a daly vzniknout životu, který máme.
RNA World je elegantní způsob, jak obnovit komplexní život od nuly. Spíše než se spoléhat na současnou tvorbu desítek biologických molekul z pravěké polévky, mohla by to udělat molekula „jedna pro všechny“.
V roce 2000 získala světová hypotéza RNA obrovský kus podpůrných důkazů.
Ribozom vytváří proteiny
Thomas Steitz strávil 30 let studiem struktury molekul v živých buňkách. V 90. letech se věnoval svému nejvážnějšímu úkolu: vymýšlet strukturu ribozomu.
V každé živé buňce je ribozom. Tato obrovská molekula čte pokyny v RNA a zařizuje aminokyseliny, aby vytvořily proteiny. Ribozomy ve vašich buňkách vybudovaly většinu těla.
Bylo známo, že ribosom obsahuje RNA. V roce 2000 však Steitzův tým vytvořil podrobný obraz struktury ribozomu, který ukázal, že RNA je katalytickým jádrem ribozomu.
To bylo důležité, protože ribozom je zásadně důležitý pro život a zároveň velmi starý. Skutečnost, že tento základní stroj byl postaven na RNA, učinila hypotézu světa RNA ještě věrohodnější.
Příznivci „RNA světa“zvítězili av roce 2009 Steitz získal podíl Nobelovy ceny. Od té doby však vědci začali pochybovat. Myšlenka „světa RNA“měla od samého začátku dva problémy. Mohla by RNA skutečně vykonávat všechny životní funkce sama? Mohlo se to vytvořit na počátku Země?
Je to už 30 let, co Gilbert položil základy pro „svět RNA“, a stále jsme nenašli spolehlivé důkazy o tom, že by RNA mohla udělat vše, co od ní vyžaduje teorie. Je to malá zručná molekula, ale nemusí být schopna dělat všechno.
Jedna věc byla jasná. Pokud život začal s molekulou RNA, RNA musela být schopna vytvořit si kopie sama o sobě: musela se samoreplikovat, samoreplikovat.
Ale žádná ze známých RNA se nemůže replikovat sama. Stejně jako DNA. Potřebují prapor enzymů a dalších molekul, aby vytvořili kopii nebo kousek RNA nebo DNA.
Proto na konci 80. let začalo několik vědců velmi quixotický úkol. Rozhodli se vytvořit samoreplikující se RNA sami.
Jack Shostak
Jack Shostak z Harvardské lékařské fakulty se jako první zúčastnil. Jako dítě byl chemií tak fascinován, že založil laboratoř v suterénu svého domu. Když zanedbal svou vlastní bezpečnost, jednou spustil výbuch, po kterém ve stropě uvízla skleněná trubice.
Na začátku 80. let pomohl Shostak ukázat, jak se geny chrání před procesem stárnutí. Toto poměrně rané studium mu nakonec přineslo kousek Nobelovy ceny. Velmi brzy však obdivoval Cechovy enzymy RNA. "Myslel jsem, že tato práce byla úžasná," říká. "V zásadě je možné, že RNA katalyzuje vlastní reprodukci."
V roce 1988 objevil Cech enzym RNA, který dokáže vytvořit krátkou molekulu RNA o délce 10 nukleotidů. Shostak se rozhodl vylepšit objev tím, že v laboratoři vytvoří nové enzymy RNA. Jeho tým vytvořil sadu náhodných sekvencí a testoval, zda nemá některá z nich katalytické schopnosti. Potom vzali ty sekvence, přepracovali je a znovu je vyzkoušeli.
Po 10 kolech takových akcí produkoval Shostak enzym RNA, který urychlil reakci sedmkrát. Ukázal, že RNA enzymy mohou být opravdu silné. Jejich enzym se však nemohl sám kopírovat, ani nepatrně. Shostak byl na slepé uličce.
Možná život nezačal s RNA
Další velký krok učinil v roce 2001 bývalý student Shostak David Bartel z Massachusetts Institute of Technology v Cambridge. Bartel vytvořil enzym R18 RNA, který by mohl přidat nové nukleotidy do řetězce RNA na základě existujícího templátu. Jinými slovy, nepřidával náhodné nukleotidy: kopíroval sekvenci správně.
I když to ještě nebyl self-replikátor, ale už něco podobného. R18 sestával z řetězce 189 nukleotidů a mohl spolehlivě přidat 11 nukleotidů do řetězce: 6% své vlastní délky. Doufalo se, že mu pár vylepšení umožní vybudovat 189 nukleotidový řetězec - stejně jako on.
Nejlepší věc udělal Philip Holliger v roce 2011 z Molecular Biology Laboratory v Cambridge. Jeho tým vytvořil modifikovaný R18 nazvaný tC19Z, který kopíroval sekvence až do délky 95 nukleotidů. To je 48% své vlastní délky: více než R18, ale daleko od 100%.
Alternativní přístup navrhli Gerald Joyce a Tracy Lincoln z Scripps Institute v La Jolla v Kalifornii. V roce 2009 vytvořili enzym RNA, který se nepřímo replikuje. Jejich enzym kombinuje dva krátké kousky RNA a vytváří druhý enzym. Poté spojí další dva kusy RNA a znovu vytvoří původní enzym.
Vzhledem k dostupnosti surovin může tento jednoduchý cyklus pokračovat donekonečna. Enzymy však fungovaly pouze tehdy, když jim byly dány správné řetězce RNA, což museli udělat Joyce a Lincoln.
Pro mnoho vědců, kteří jsou skeptičtí vůči „světu RNA“, je nedostatek samoreplikující se RNA závažným problémem této hypotézy. RNA, zjevně, prostě nemůže vzít a začít život.
Tento problém byl také umocněn tím, že chemici nevytvořili RNA od nuly. Zdálo by se, že je to jednoduchá molekula ve srovnání s DNA, ale je velmi obtížné ji vyrobit.
Problém spočívá v cukru a bázi, které tvoří každý nukleotid. Můžete udělat každou z nich samostatně, ale tvrdohlavě odmítají se zapojit. Začátkem 90. let se tento problém zjevil. Mnoho biologů mělo podezření, že hypotéza „RNA world“, i přes veškerou atraktivitu, nemusí být zcela správná.
Místo toho možná na počátku Země mohl být nějaký jiný typ molekuly: něco jednoduššího než RNA, které by se ve skutečnosti mohlo zvednout z prvotní polévky a začít se reprodukovat. Nejprve by mohla být tato molekula, která pak vedla k RNA, DNA a tak dále.
DNA se na počátku Země těžko vytvořila
V roce 1991 přišel Peter Nielsen z kodaňské univerzity v Dánsku s kandidátem na primární replikátory.
Jednalo se v podstatě o silně upravenou verzi DNA. Nielsen si ponechal stejné báze - A, T, C a G - které se nacházejí v DNA - ale páteř z molekul nazývaných polyamidy spíše než z cukrů, které se také nacházejí v DNA. Pojmenoval novou molekulu polyamidovou nukleovou kyselinu nebo PNA. Nepochopitelným způsobem se od té doby stal známým jako peptidová nukleová kyselina.
PNA se v přírodě nikdy nenašla. Chová se však téměř jako DNA. PNA řetězec může dokonce nahradit jeden z řetězců molekuly DNA a báze jsou spárovány jako obvykle. Kromě toho se PNA může zkrotit do dvojité šroubovice, jako je DNA.
Stanley Miller byl zaujatý. Hluboko skeptický vůči RNA světa, měl podezření, že PNA je mnohem pravděpodobnějším kandidátem na první genetický materiál.
V roce 2000 předložil důkazy. V té době už mu bylo 70 a utrpěl několik úderů, které ho mohly poslat do pečovatelského domu, ale nevzdal se. Opakoval svůj klasický experiment, o kterém jsme hovořili v první kapitole, tentokrát za použití metanu, dusíku, amoniaku a vody - a získal polyamidovou bázi PNA.
Toto navrhlo, že PNA, na rozdíl od RNA, mohl dobře se tvořil na časné Zemi.
Threose molekula nukleové kyseliny
Jiní chemici přišli s vlastní alternativní nukleovou kyselinou.
V roce 2000 Albert Eschenmoser vyrobil threosovou nukleovou kyselinu (TNK). Je to stejná DNA, ale s jiným cukrem na základně. Řetězy TNC mohou tvořit dvojitou šroubovici a informace jsou kopírovány v obou směrech mezi RNA a TNK.
Kromě toho se TNC mohou skládat do složitých tvarů a dokonce se vázat na proteiny. To naznačuje, že TNK může působit jako enzym, jako je RNA.
V roce 2005 vytvořil Eric Megges glykolovou nukleovou kyselinu, která může tvořit spirálové struktury.
Každá z těchto alternativních nukleových kyselin má své vlastní zastánce. Ale v přírodě se nenacházejí žádné stopy, takže pokud je první život skutečně použil, muselo je v určitém okamžiku úplně opustit ve prospěch RNA a DNA. To může být pravda, ale neexistují žádné důkazy.
Výsledkem bylo, že v polovině roku 2000 se příznivci světa RNA ocitli v quandary.
Na jedné straně RNA enzymy existovaly a zahrnovaly jednu z nejdůležitějších částí biologického inženýrství, ribozom. Dobrý.
Samoreplikující se RNA však nebyla nalezena a nikdo nemohl pochopit, jak se RNA vytvořila v pravěké polévce. Alternativní nukleové kyseliny by mohly vyřešit tento druhý problém, ale neexistuje důkaz, že existovaly v přírodě. Není moc dobrá.
Zřejmým závěrem bylo, že „svět RNA“se i přes svou přitažlivost ukázal jako mýtus.
Mezitím od 80. let 20. století postupně nabývala na síle jiná teorie. Jeho příznivci tvrdí, že život nezačal RNA, DNA nebo jiným genetickým materiálem. Místo toho to začalo mechanismem pro využití energie.
Život potřebuje energii, aby zůstal naživu
ILYA KHEL
- První část: Jak vytvořit buňku -
- Druhá část: Rozdělení v řadách vědců -
- Část čtvrtá: energie protonů -
- Část pět: jak tedy vytvoříte buňku? -
- Část šestá: Velké sjednocení -