- Del en: Hvordan lage en celle -
- Del to: En splittelse i forskernes rekker -
- Del fire: energien til protoner -
- Del fem: så hvordan lager du en celle? -
Del seks: Den store foreningen -
Så etter 1960-tallet falt forskere som prøvde å forstå livets opprinnelse i tre grupper. Noen av dem var overbevist om at livet begynte med dannelsen av primitive versjoner av biologiske celler. Andre mente det metabolske systemet var det viktigste første trinnet, mens andre fokuserte på viktigheten av genetikk og replikasjon. Denne siste gruppen begynte å finne ut hvordan den første replikatoren kunne se ut, forutsatt at den var laget av RNA.
Allerede på 1960-tallet hadde forskere grunn til å tro at RNA var kilden til alt liv.
Spesielt kan RNA gjøre noe som DNA ikke kan. Det er et enkeltstrenget molekyl, så i motsetning til stivt, dobbeltstrenget DNA, kan det brette seg inn i en rekke forskjellige former.
I likhet med origami, var det sammenleggbare RNA generelt i oppførsel lik proteiner. Proteiner er også stort sett lange kjeder - bare av aminosyrer, ikke nukleotider - og dette gjør at de kan lage komplekse strukturer.
Dette er nøkkelen til den mest fantastiske evnen til proteiner. Noen av dem kan øke hastigheten på eller "katalysere" kjemiske reaksjoner. Slike proteiner er kjent som enzymer.
Mange enzymer kan finnes i tarmen din, der de bryter ned komplekse molekyler fra mat til enkle typer sukkerarter som cellene dine kan bruke. Det ville være umulig å leve uten enzymer.
Leslie Orgel og Frances Crick begynte å mistenke noe. Hvis RNA kan brette seg som et protein, kan det kanskje danne enzymer? Hvis dette var sant, kunne RNA være et originalt - og universelt - levende molekyl og lagre informasjon, slik DNA gjør nå, og katalysere reaksjoner, slik noen proteiner gjør.
Det var en god idé, men på ti år har den ikke fått noe bevis.
Salgsfremmende video:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech er født og oppvokst i Iowa. Som barn ble han fascinert av steiner og mineraler. Og allerede på ungdomsskolen så han på det lokale universitetet og banket på dørene til geologer med en forespørsel om å vise modeller av mineralstrukturer.
Imidlertid ble han etter hvert biokjemiker og fokuserte på RNA.
På begynnelsen av 1980-tallet studerte Cech og kolleger ved University of Colorado i Boulder den encellede organismen Tetrahymena thermophila. En del av det cellulære maskineriet inkluderer RNA-tråder. Cech oppdaget at et enkelt segment av RNA på en eller annen måte ble skilt fra resten, som om det hadde blitt kuttet ut med en saks.
Da forskerne fjernet alle enzymer og andre molekyler som kunne fungere som molekylsaks, fortsatte RNA å skilles ut. Så de fant det første RNA-enzymet: et kort stykke RNA som kan skjære seg ut av den lange tråden som det er en del av.
Cech publiserte resultatene av sitt arbeid i 1982. Året etter oppdaget en annen gruppe forskere et andre RNA-enzym, "ribozym" (forkortelse for "ribonukleinsyre" og "enzym", også kalt enzym). Oppdagelsen av to RNA-enzymer etter hverandre antydet at det må være mange flere. Og ideen om å starte livet med RNA begynte å se solid ut.
Imidlertid ble navnet på denne ideen gitt av Walter Gilbert fra Harvard University i Cambridge, Massachusetts. Som fysiker med fascinasjon for molekylærbiologi, ble Gilbert også en av de tidlige talsmennene for sekvensering av det menneskelige genom.
I 1986 skrev Gilbert i Nature at livet begynte i "RNA-verdenen."
Det første stadiet i evolusjonen, hevdet Gilbert, besto av "RNA-molekyler som utførte den katalytiske aktiviteten som er nødvendig for å samle seg i en buljong av nukleotider." Ved å kopiere og lime inn forskjellige biter av RNA sammen, kunne RNA-molekyler skape enda mer nyttige sekvenser. Til slutt fant de en måte å lage proteiner og proteinenzymer som viste seg så nyttige at de i stor grad erstattet RNA-versjonene og ga opphav til det livet vi har.
RNA World er en elegant måte å gjenoppbygge det kompliserte livet fra bunnen av. I stedet for å stole på samtidig dannelse av dusinvis av biologiske molekyler fra en uregnsopp, kan et “en for alle” -molekyl gjøre jobben.
I 2000 mottok RNA-verdenshypotesen en stor del av støttende bevis.
Ribosomet lager proteiner
Thomas Steitz brukte 30 år på å studere strukturen til molekyler i levende celler. På 1990-tallet viet han seg til sin mest alvorlige oppgave: å finne ut strukturen til ribosomen.
Det er et ribosom i hver levende celle. Dette enorme molekylet leser instruksjoner i RNA og ordner aminosyrer for å lage proteiner. Ribosomene i cellene dine har bygget det meste av kroppen din.
Det ble kjent at ribosomet inneholdt RNA. Men i 2000 produserte Steitz team et detaljert bilde av ribosomstrukturen, som viste at RNA var den katalytiske kjernen til ribosomet.
Dette var viktig fordi ribosomet er grunnleggende viktig for livet og veldig eldgamelt på samme tid. At denne essensielle maskinen ble bygd på RNA, gjorde RNA-verdenshypotesen enda mer plausibel.
Tilhengere av "RNA-verdenen" seiret, og i 2009 mottok Steitz en del av Nobelprisen. Men siden har forskere begynt å tvile. Helt fra begynnelsen hadde ideen om en "RNA-verden" to problemer. Kunne RNA virkelig utføre alle livets funksjoner på egen hånd? Kan det ha dannet seg på den tidlige jorden?
Det er 30 år siden Gilbert la grunnlaget for "RNA-verdenen", og vi har fremdeles ikke funnet solide bevis på at RNA kan gjøre alt som teorien krever av den. Det er et lite dyktig molekyl, men det kan ikke være i stand til å gjøre alt.
En ting var tydelig. Hvis livet begynte med et RNA-molekyl, måtte RNA være i stand til å lage kopier av seg selv: det måtte være selvreplikerende, selvreplikerende.
Men ingen av de kjente RNA-ene kan replikere seg. Slik er DNA. De trenger en bataljon av enzymer og andre molekyler for å lage en kopi eller et stykke RNA eller DNA.
På slutten av 1980-tallet begynte derfor flere forskere med en veldig kviksotisk søken. De bestemte seg for å lage et selvreplikerende RNA på egen hånd.
Jack Shostak
Jack Shostak fra Harvard School of Medicine var en av de første som deltok. Som barn ble han så fascinert av kjemi at han startet et laboratorium i kjelleren i huset sitt. Forsømmer han sin egen sikkerhet, satte han en gang i gang en eksplosjon, hvoretter et glassrør satt fast i taket.
På begynnelsen av 1980-tallet hjalp Shostak til å vise hvordan gener beskytter seg mot aldringsprosessen. Denne ganske tidlige studien fikk ham til slutt et stykke Nobelprisen. Imidlertid ganske snart han beundret Cechs RNA-enzymer. "Jeg syntes denne jobben var fantastisk," sier han. "I prinsippet er det fullt mulig at RNA katalyserer sin egen reproduksjon."
I 1988 oppdaget Cech et RNA-enzym som kan bygge et kort RNA-molekyl på 10 nukleotider. Shostak bestemte seg for å forbedre oppdagelsen ved å produsere nye RNA-enzymer i laboratoriet. Teamet hans laget et sett med tilfeldige sekvenser og testet for å se om noen av dem hadde katalytiske evner. Så tok de disse sekvensene, omarbeidet dem og testet dem igjen.
Etter 10 runder med slike handlinger produserte Shostak et RNA-enzym som satte fart på reaksjonen med syv millioner ganger. Han viste at RNA-enzymer kan være veldig kraftige. Men deres enzym kunne ikke kopiere seg selv, ikke engang litt. Shostak var i en blindvei.
Kanskje livet ikke startet med RNA
Det neste store steget ble tatt i 2001 av den tidligere Shostak-studenten David Bartel ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. Bartel laget R18 RNA-enzymet som kunne tilføre nye nukleotider til RNA-strengen basert på en eksisterende mal. Med andre ord la han ikke tilfeldige nukleotider: han kopierte sekvensen riktig.
Selv om det ennå ikke var en selvreplikator, men allerede noe lignende. R18 besto av en kjede på 189 nukleotider og kunne pålitelig legge 11 nukleotider til kjeden: 6% av sin egen lengde. Det ble håpet at noen få finjusteringer ville tillate ham å bygge en 189 nukleotidkjede - akkurat som han selv.
Det beste ble gjort av Philip Holliger i 2011 fra Molecular Biology Laboratory i Cambridge. Teamet hans opprettet en modifisert R18 kalt tC19Z som kopierte sekvenser opp til 95 nukleotider i lengde. Det er 48% av sin egen lengde: mer enn R18, men langt fra 100%.
En alternativ tilnærming ble foreslått av Gerald Joyce og Tracy Lincoln fra Scripps Institute i La Jolla, California. I 2009 skapte de et RNA-enzym som replikerer indirekte. Deres enzym kombinerer to korte biter av RNA for å skape et andre enzym. Den kombinerer deretter de to andre delene av RNA for å gjenskape det opprinnelige enzymet.
Gitt tilgjengeligheten av råvarer, kan denne enkle syklusen fortsettes på ubestemt tid. Men enzymer fungerte bare når de fikk de riktige RNA-strengene, noe Joyce og Lincoln måtte gjøre.
For mange forskere som er skeptiske til "RNA-verdenen", er mangelen på selvreplikerende RNA et livsfarlig problem med denne hypotesen. RNA kan tilsynelatende ganske enkelt ikke ta og starte livet.
Problemet ble også forsterket av at kjemikere ikke klarte å lage RNA fra bunnen av. Det virker som et enkelt molekyl sammenlignet med DNA, men det er ekstremt vanskelig å lage det.
Problemet ligger i sukkeret og basen som utgjør hvert nukleotid. Du kan gjøre hver av dem hver for seg, men de nekter hardnakket å bli involvert. Ved begynnelsen av 1990-tallet hadde dette problemet blitt tydelig. Mange biologer har mistenkt at "RNA-verdenen" -hypotesen, til tross for all sin attraktivitet, kanskje ikke er helt korrekt.
I stedet kan det ha vært en annen type molekyl på den tidlige jorden: noe enklere enn RNA, som faktisk kunne plukke seg opp fra den primordiale suppen og begynne å reprodusere seg selv. Først kan det være dette molekylet, som så førte til RNA, DNA og så videre.
DNA kunne knapt ha dannet seg på den tidlige jorden
I 1991 kom Peter Nielsen fra Københavns Universitet i Danmark med en kandidat til primærreplikatorer.
Det var egentlig en sterkt modifisert versjon av DNA. Nielsen holdt de samme basene - A, T, C og G - som finnes i DNA - men laget ryggraden fra molekyler kalt polyamider, i stedet for fra sukkerarter, som også finnes i DNA. Han kalte det nye molekylet polyamid nukleinsyre, eller PNA. På en uforståelig måte har den siden blitt kjent som en peptid-nukleinsyre.
PNA har aldri blitt funnet i naturen. Men det oppfører seg nesten som DNA. PNA-strengen kan til og med ta plassen til en av strengene til DNA-molekylet, og basene er sammenkoblet som vanlig. Dessuten kan PNA vri seg inn i en dobbel helix, som DNA.
Stanley Miller var fascinert. Dyp skeptisk til RNA-verdenen mistenkte han at PNA var en mye mer sannsynlig kandidat for det første arvestoffet.
I 2000 ga han noen solide bevis. Da var han allerede fylt 70 og hadde flere slag som kunne sende ham til et sykehjem, men han ga seg ikke. Han gjentok sitt klassiske eksperiment, som vi diskuterte i det første kapittelet, denne gangen ved bruk av metan, nitrogen, ammoniakk og vann - og fikk polyamidbasen til PNA.
Dette antydet at PNA, i motsetning til RNA, godt kunne ha dannet seg på den tidlige jorden.
Threose nukleinsyremolekyl
Andre kjemikere har kommet frem til sine egne alternative nukleinsyrer.
I 2000 laget Albert Eschenmoser treose nukleinsyre (TNK). Det er samme DNA, men med et annet sukker i basen. TNC-kjeder kan danne en dobbel helix, og informasjon blir kopiert i begge retninger mellom RNA og TNK.
Dessuten kan TNC-er foldes inn i komplekse former og til og med binde seg til proteiner. Dette antyder at TNK kan fungere som et enzym, som RNA.
I 2005 laget Eric Megges en glykolisk nukleinsyre som kan danne spiralformede strukturer.
Hver av disse alternative nukleinsyrene har sine egne talsmenn. Men ingen spor av dem kan finnes i naturen, så hvis det første livet virkelig brukte dem, måtte det på et tidspunkt helt forlate dem til fordel for RNA og DNA. Dette kan være sant, men det er ingen bevis.
Som et resultat, ved midten av 2000-tallet, fant tilhengere av RNA-verden seg i en kvartal.
På den ene siden fantes RNA-enzymer og inkluderte en av de viktigste delene av biologisk prosjektering, ribosomet. God.
Men selvreplikerende RNA ble ikke funnet, og ingen kunne forstå hvordan RNA ble dannet i den primordiale suppen. Alternative nukleinsyrer kan løse det siste problemet, men det er ingen bevis for at de eksisterte i naturen. Ikke veldig bra.
Den åpenbare konklusjonen var at "RNA-verdenen", til tross for sin attraktivitet, viste seg å være en myte.
I mellomtiden fikk en annen teori gradvis fart siden 1980-tallet. Tilhengerne hevder at livet ikke begynte med RNA, DNA eller annet genetisk materiale. I stedet begynte det med en mekanisme for å utnytte energi.
Livet trenger energi for å holde seg i live
ILYA KHEL
- Del en: Hvordan lage en celle -
- Del to: En splittelse i forskernes rekker -
- Del fire: energien til protoner -
- Del fem: så hvordan lager du en celle? -
Del seks: Den store foreningen -
