- Част първа: Как да направите клетка -
- Част втора: Разцепление в редиците на учените -
- Част четвърта: енергията на протоните -
- Част пета: така как да създадете клетка? -
- част шеста: Голямото обединение -
И така, след 60-те години учените, опитващи се да разберат произхода на живота, попадат в три групи. Някои от тях бяха убедени, че животът започва с формирането на примитивни версии на биологични клетки. Други смятат, че метаболитната система е основната първа стъпка, докато други се фокусират върху значението на генетиката и репликацията. Последната група започна да проучва как може да изглежда първият репликатор, като се предполага, че е направен от РНК.
Още през 60-те години учените имаха основание да смятат, че РНК е източникът на целия живот.
По-специално, РНК може да направи нещо, което ДНК не може. Това е едноверижна молекула, така че за разлика от твърдата, двуверижна ДНК, тя може да се сгъне в редица различни форми.
Подобно на оригами, сгъваемата РНК по принцип е сходна с протеините. Протеините също са предимно дълги вериги - само от аминокиселини, а не от нуклеотиди - и това им позволява да създават сложни структури.
Това е ключът към най-невероятната способност на протеините. Някои от тях могат да ускорят или „катализират“химичните реакции. Такива протеини са известни като ензими.
Много ензими могат да бъдат намерени в червата ви, където те разграждат сложни молекули от храната до прости видове захари, които вашите клетки могат да използват. Би било невъзможно да живеем без ензими.
Лесли Оргел и Франсис Крик започват да подозират нещо. Ако РНК може да се сгъне като протеин, може би може да образува ензими? Ако това беше вярно, тогава РНК може да бъде оригинална - и универсална - жива молекула, съхраняваща информация, както прави ДНК сега, и катализиращи реакции, както правят някои протеини.
Това беше чудесна идея, но за десет години не получи никакво доказателство.
Промоционално видео:
Томас Чех, 2007 г.
Томас Чех е роден и израснал в Айова. Като дете е бил очарован от скали и минерали. И още в прогимназията той погледна местния университет и почука на вратите на геолозите с молба да покаже модели на минерални конструкции.
Въпреки това той в крайна сметка става биохимик и се фокусира върху РНК.
В началото на 80-те години Чех и колегите му от университета в Колорадо в Боулдър изучават едноклетъчния организъм Tetrahymena thermophila. Част от неговите клетъчни машини включват нишки на РНК. Чех откри, че един сегмент от РНК по някакъв начин е отделен от останалите, сякаш е изрязан с ножица.
Когато учените премахват всички ензими и други молекули, които могат да действат като молекулни ножици, РНК продължава да се секретира. Така те откриха първия ензим РНК: късо парче РНК, което може да се изреже от дългата нишка, от която е част.
Чех публикува резултатите от своята работа през 1982 г. На следващата година друга група учени откриват втори ензим на РНК, „рибозим“(съкратен за „рибонуклеинова киселина“и „ензим“, известен още като ензим). Откриването на два ензима РНК един след друг показваше, че трябва да има много повече. И така идеята за започване на живот с РНК започна да изглежда солидна.
Името на тази идея обаче е дадено от Уолтър Гилбърт от Харвардския университет в Кеймбридж, Масачузетс. Като физик с очарование от молекулярната биология, Гилбърт също се превръща в един от ранните привърженици на секвенирането на човешкия геном.
През 1986 г. Гилбърт пише в Nature, че животът започва в „света на РНК“.
Първият етап от еволюцията, твърди Гилбърт, се състои от „РНК молекули, осъществяващи каталитичната активност, необходима да се съберат в бульон от нуклеотиди“. Чрез копиране и поставяне на различни битове РНК заедно, РНК молекулите могат да създадат още по-полезни последователности. Накрая те намериха начин да направят протеини и протеинови ензими, които се оказаха толкова полезни, че до голяма степен изместиха версиите на РНК и дадоха началото на живота, който имаме.
RNA World е елегантен начин за възстановяване на сложния живот от нулата. Вместо да разчита на едновременното формиране на десетки биологични молекули от първичната супа, молекулата „един за всички“би могла да свърши работа.
През 2000 г. световната хипотеза на РНК получи колосална част от подкрепящи доказателства.
Рибозомата прави протеини
Томас Щайц прекарал 30 години в проучване на структурата на молекулите в живите клетки. През 90-те години той се посвети на най-сериозната си задача: да измисли структурата на рибозомата.
Във всяка жива клетка има рибозома. Тази огромна молекула чете инструкции в РНК и подрежда аминокиселини, за да произвежда протеини. Рибозомите във вашите клетки са изградили по-голямата част от тялото ви.
Известно е, че рибозомата съдържа РНК. Но през 2000 г. екипът на Steitz изготви подробно изображение на структурата на рибозомата, което показва, че РНК е каталитичното ядро на рибозомата.
Това беше важно, защото рибозомата е от основно значение за живота и същевременно много древна. Фактът, че тази основна машина е построена върху РНК, направи хипотезата на света на РНК още по-правдоподобна.
Привърженици на „света на РНК“триумфираха, а през 2009 г. Щайц получи дял от Нобеловата награда. Но оттогава учените започнаха да се съмняват. От самото начало идеята за „свят на РНК“имаше два проблема. Може ли РНК наистина да изпълнява всички функции на живота самостоятелно? Възможно ли е да се е образувало на ранната Земя?
Изминаха 30 години, откакто Гилбърт положи основите на „света на РНК“, а ние все още не намерихме солидни доказателства, че РНК може да направи всичко, което теорията изисква от него. Това е малка умела молекула, но може да не е в състояние да направи всичко.
Едно беше ясно. Ако животът започна с молекула на РНК, РНК трябваше да може да прави копия от себе си: тя трябваше да се самовъзпроизвежда, самовъзпроизвежда.
Но никоя от известните РНК не може да се повтори. Така е и с ДНК. Те се нуждаят от батальон от ензими и други молекули, за да създадат копие или парче РНК или ДНК.
Следователно в края на 80-те няколко учени започнаха много кихотично търсене. Те решиха да създадат самостоятелно репликираща се РНК самостоятелно.
Джак Шостак
Джак Шостак от Медицинското училище в Харвард беше един от първите, които взеха участие. Като дете бил толкова очарован от химията, че започнал лаборатория в мазето на къщата си. Пренебрегвайки собствената си безопасност, той веднъж дори започна взрив, след което в тавана се заби стъклена тръба.
В началото на 80-те години Шостак помогна да покаже как гените се предпазват от процеса на стареене. Това доста рано проучване в крайна сметка му спечели парче от Нобеловата награда. Въпреки това, много скоро той се възхищава на РНК ензимите на Cech. „Мислех, че тази работа е страхотна”, казва той. "По принцип е напълно възможно РНК катализира собственото си възпроизвеждане."
През 1988 г. Чех открива РНК ензим, който може да изгради къса РНК молекула с дължина 10 нуклеотида. Шостак решава да подобри откритието, като произвежда нови РНК ензими в лабораторията. Екипът му създаде набор от случайни последователности и тества, за да види дали някой от тях има каталитични способности. Тогава те взеха тези поредици, преработиха ги и ги изпробваха отново.
След 10 кръга от такива действия, Shostak произвежда ензим РНК, който ускорява реакцията със седем милиона пъти. Той показа, че ензимите на РНК могат да бъдат наистина мощни. Но ензимът им не можеше да копира себе си, дори и леко. Шостак беше в задънена улица.
Може би животът не започна с РНК
Следващата голяма стъпка беше направена през 2001 г. от бившия студент на Шостак Дейвид Бартел от Масачузетския технологичен институт в Кеймбридж. Bartel направи R18 ензима RNA, който може да добави нови нуклеотиди към RNA направление въз основа на съществуващ шаблон. С други думи, той не добавя случайни нуклеотиди: той копира последователността правилно.
Докато все още не беше саморепликатор, но вече нещо подобно. R18 се състои от верига от 189 нуклеотиди и може надеждно да добави 11 нуклеотида към веригата: 6% от собствената й дължина. Надяваше се, че няколко ощипвания ще му позволят да изгради 189 нуклеотидна верига - точно като себе си.
Най-доброто нещо беше направено от Филип Холигер през 2011 г. от лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж. Неговият екип създаде модифициран R18 наречен tC19Z, който копира последователности с дължина до 95 нуклеотида. Това е 48% от собствената му дължина: повече от R18, но далеч от 100%.
Алтернативен подход беше предложен от Джералд Джойс и Трейси Линкълн от Института Скрипс в Ла Джола, Калифорния. През 2009 г. те създават ензим РНК, който се възпроизвежда косвено. Техният ензим комбинира две къси парчета РНК, за да създаде втори ензим. След това комбинира другите две части от РНК за пресъздаване на оригиналния ензим.
Като се има предвид наличието на суровини, този прост цикъл може да продължи неограничено време. Но ензимите действаха само когато им бяха дадени правилните нишки на РНК, което Джойс и Линкълн трябваше да направят.
За много учени, които са скептични към „света на РНК“, липсата на самовъзпроизвеждаща се РНК е фатален проблем с тази хипотеза. РНК, очевидно, просто не може да поеме и започне живот.
Проблемът се усложнява и от неспособността на химиците да създадат РНК от нулата. Изглежда проста молекула в сравнение с ДНК, но е изключително трудно да се направи.
Проблемът се крие в захарта и основата, които съставляват всеки нуклеотид. Можете да направите всеки от тях поотделно, но те упорито отказват да се включат. В началото на 90-те този проблем стана очевиден. Много биолози подозират, че хипотезата за „света на РНК“, въпреки цялата си привлекателност, може да не е напълно правилна.
Вместо това може да е имало някакъв друг вид молекула на ранната Земя: нещо по-просто от РНК, което всъщност може да се вземе от първоначалната супа и да започне да се възпроизвежда. Първо може да има тази молекула, която след това доведе до РНК, ДНК и така нататък.
ДНК едва ли би могъл да се образува на ранната Земя
През 1991 г. Питър Нилсен от Копенхагенския университет в Дания излезе с кандидат за първични репликатори.
Това беше по същество силно модифицирана версия на ДНК. Нилсен запазва същите основи - A, T, C и G - открити в ДНК, но направи гръбнака от молекули, наречени полиамиди, а не от захари, които също се намират в ДНК. Той нарече новата молекулна полиамидна нуклеинова киселина или PNA. По неразбираем начин оттогава тя е станала известна като пептидна нуклеинова киселина.
PNA никога не е била открита в природата. Но се държи почти като ДНК. PNA веригата може дори да заеме мястото на една от веригите на молекулата на ДНК, а основите са сдвоени както обикновено. Освен това, PNA може да се усука в двойна спирала, като ДНК.
Стенли Милър беше заинтригуван. Дълбоко скептичен към света на РНК, той подозираше, че PNA е много по-вероятен кандидат за първия генетичен материал.
През 2000 г. той представи твърди доказателства. Дотогава той вече навърши 70 години и претърпя няколко удара, които можеха да го изпратят в старчески дом, но той не се отказа. Той повтори класическия си експеримент, който обсъдихме в първата глава, този път използвайки метан, азот, амоняк и вода - и получи полиамидната основа на PNA.
Това предполага, че PNA, за разлика от РНК, може да се образува на ранната Земя.
Молекула на трезовата нуклеинова киселина
Други химици са измислили собствени алтернативни нуклеинови киселини.
През 2000 г. Алберт Ешенмосер произвежда тройно нуклеинова киселина (TNK). Това е същата ДНК, но с различна захар в основата. TNC веригите могат да образуват двойна спирала и информацията се копира в двете посоки между RNA и TNK.
Освен това ТНК могат да се сгъват в сложни форми и дори да се свързват с протеини. Това намеква, че ТНК може да действа като ензим, като РНК.
През 2005 г. Ерик Мегедс направи гликолова нуклеинова киселина, която може да образува спирални структури.
Всяка от тези алтернативни нуклеинови киселини има свои привърженици. Но никакви следи от тях не могат да бъдат намерени в природата, така че ако първият живот наистина ги използва, в един момент трябваше напълно да ги изостави в полза на РНК и ДНК. Това може да е вярно, но няма доказателства.
В резултат на това до средата на 2000-те години привържениците на света на РНК се озоваха в опасност.
От една страна, РНК ензимите съществуват и включват една от най-важните части на биологичното инженерство, рибозомата. Добре.
Но самовъзпроизвеждащата се РНК не беше намерена и никой не можеше да разбере как се образува РНК в първичната супа. Алтернативните нуклеинови киселини биха могли да разрешат последния проблем, но няма доказателства, че те са съществували в природата. Не много добър.
Очевидният извод беше, че „светът на РНК“, въпреки своята привлекателност, се оказа мит.
Междувременно различна теория постепенно набира скорост от 80-те години. Привържениците му твърдят, че животът не е започнал с РНК, ДНК или друг генетичен материал. Вместо това започна с механизъм за извличане на енергия.
Животът се нуждае от енергия, за да остане жив
ИЛЯ КХЕЛ
- Част първа: Как да направите клетка -
- Част втора: Разцепление в редиците на учените -
- Част четвърта: енергията на протоните -
- Част пета: така как да създадете клетка? -
- част шеста: Голямото обединение -