Pirmasis gyvenimas ir kitas gyvenimas

Vairuotojas išjungė burzgiančio Rusijos kariuomenės vežėjo variklį gilaus kanjono pakraštyje, kurį išraižė ledynų tirpsmo vandens srovė. Mūsų mažoji tyrimų grupė, kurią sudarė Stenfordo magistrantūros studentai Jamie ir Meaghan, postdocs Jan ir Jake iš Vašingtono Carnegie instituto ir mūsų gidas Vladimiras, išlipo iš sunkvežimio ir pasisveikino po penkių valandų kelio automobiliu nuo Petropavlovsko. Tada mes apsimetėme ant pečių ir pradėjome lipti, traškėdami per sukrautą sniegą ir ledą tarp namo dydžio riedulių. Kai sustojome atsikvėpti ir pažvelgėme atgal į nuokalnę, matėme, kaip pelenų ir lavos srautai iš praeities išsiveržimų išsiveržė į kalvas ir slėnius, o toli žemiau apsaugotose vietose išsibarstę žemų krūmų lopai. Nelygus vulkaninis Kamčiatkos kraštovaizdis apibrėžė horizontą. Virš mūsų iškilo mūsų tikslas: susprogdinta Mutnovskio kalno viršūnė – ugnikalnis, išsiveržęs vos prieš kelerius metus.

Po dviejų valandų ir 2000 pėdų aukščiau žvilgtelėjome per kraterio kraštą. Sunku buvo suvokti po mumis tvyrantį chaosą. Šiame juodo ir pilko roko kraštovaizdyje nebuvo nieko gyvo, išskyrus mūsų šešių žmonių komandą. Kitoje pusėje esantis nedidelis ledynas tirpo į kraterį, o tolimi riaumojantys garsai sklido iš gilios vidaus, kai garai kilo į mėlyną dangų. Žemė, oras, ugnis ir vanduo, pagalvojau – senovės elementai, suburti čia, tolimuosiuose rytų Rusijoje, sujudinti šilumos energijos, likusios nuo mūsų planetos istorijos pradžios. Išskyrus ledyną, ši vieta atrodė kaip tų laikų liekana – modelis to, kokia Žemė buvo prieš keturis milijardus metų, prieš prasidedant gyvybei. Nusileidome į kraterį, kartais užsidėję dujokaukes, kad apsaugotume plaučius nuo šarminių dujų.

Ši istorija buvo mūsų 2009 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Mano lauko darbai Kamčiatkoje buvo paremti NASA dotacija, o pagrindinis mūsų tikslas buvo geriau suprasti geochemines sąlygas, susijusias su gyvybės atsiradimu Žemėje ir galbūt Marse. Ankstesnėse publikacijose rusų kalba leidžiamuose žurnaluose buvo rašoma, kad Kamčiatkos ugnikalnių verdančiose versmėse ir garuose yra organinių junginių, įskaitant aminorūgštis. Visi sutinka, kad gyvybės atsiradimui reikėjo organinių junginių šaltinio, tačiau niekas iš tikrųjų nežino, koks galėjo būti pirminis šaltinis. Viena iš galimybių yra ta, kad dauguma junginių buvo gaminami geocheminės sintezės būdu vulkaniniuose regionuose ankstyvoje Žemės istorijoje, ir būtų tikras lūžis, jei šiandien galėtume aptikti panašias reakcijas ugnikalniuose.

Antrasis tikslas iš esmės buvo apdrausti mano statymą. O jei patektume iki Kamčiatkos ir nerastume jokių organinių junginių? Tai būtų gėdinga. Dėl šios priežasties aš atsinešiau junginių, panašių į tuos, kurie, mūsų manymu, galėjo būti prieinami prieš keturis milijardus metų, mišinį gyvybei pradėti: keturios aminorūgštys, riebalų rūgštis, fosfatas, glicerolis ir keturios nukleino rūgšties bazės. Žinojome, kad laboratorinėmis sąlygomis šie komponentai gali reaguoti ir sudaryti sudėtingesnius junginius, susijusius su gyvybei būdingomis molekulinėmis struktūromis ir funkcijomis. Pasiūliau juos pridėti prie vulkaninio baseino, kad pamatyčiau, kas nutiks. Daugelis mano kolegų mano, kad toks eksperimentas yra šiek tiek kvailas, nes sąlygos yra tokios nekontroliuojamos, bet aš manau, kad tai yra tikrovės patikrinimas. Galime sulaukti įdomių reakcijų dirbdami laboratorijoje, bet ką daryti, jei nepastebime kažko, kas paaiškėja tik tada, kai bandome imituoti tas reakcijas natūralioje aplinkoje?

Simbiozė ir sintetinė biologija
Kai pirmą kartą išgirdau šį terminą astrobiologija prieš keletą metų tai skambėjo keistai nesuderinamai. Ir tada atsirado kita nauja disciplina, kuri buvo dar didesnė: sintetinė biologija . Tačiau mokslas progresuoja taip – ​​tam tikra simbioze tarp iš pažiūros nesusijusių disciplinų, kai tradicinė biologija ir chemija tampa biochemija, o biologija ir fizika – biofizika. Savo karjerą pradėjau nuo tradicinių biofizinių membranų tyrimų, tačiau dabar kai kurie mano tyrimai yra finansuojami NASA astrobiologijos programos lėšomis, o daugelį mūsų eksperimentų būtų galima apibūdinti kaip sintetinę biologiją: inžinerinių metodų taikymą kuriant ar perkuriant biologines funkcijas ir sistemas.

Sintetinės biologijos sritis šiuo metu yra karšta, nes jos metodai gali būti labai galingi. Sintetiniai biologai pakankamai žino apie gyvas sistemas, kad galėtų naudingais būdais pakeisti genetines programas, kaip patyrę kompiuterių programuotojai keičia programinę įrangą. Tačiau ką toks aukštųjų technologijų mokslas turi bendro su ugnikalniais ir gyvybės kilme? Louis Pasteur kartą pakomentavo, kad atsitiktinumas palankus pasiruošusiam protui; labai dažnai net patys elementariausi tyrimai duoda svajonių pritaikymą. Pavyzdžiui, vienas iš galingiausių molekulinės biologijos įrankių yra polimerazės grandininė reakcija (PGR), kuri naudojama DNR amplifikuoti, ty padaryti kelias tam tikros sekos kopijas. Atliekant PGR, šildymo ir aušinimo ciklai derinami su DNR sinteze polimerazės, fermento, kuris katalizuoja didelių molekulių (polimerų) susidarymą iš mažų molekulių (monomerų), sintezę. Kary Mullis idėją sugalvojo 1983 m., pirmiausia naudodamas įprastą polimerazę E. coli bakterijų, tačiau reikėjo polimerazės, kuri galėtų išgyventi beveik virimo temperatūroje. 1965 m. – visiškai nesusijusių tyrimų metu – Thomas Brockas atrado primityvią bakteriją, kurią pavadino Thermus aquaticus , gyvenantis Jeloustouno nacionalinio parko vulkaninėse karštosiose versmėse. Šis organizmas yra pirminis karščiui atsparaus šaltinis Taq polimerazė dabar naudojama visuose komerciniuose PGR įrenginiuose.

Jei laikysimės Pasteuro patarimų, galime padidinti tikimybę, kad bus daugiau tokių liūdnų atradimų. Visų pirma, mes galime paruošti savo protą išplėsdami sintetinės biologijos sritį, kad ji apimtų gyvybės kilmės tyrimus. Pradėsiu apibūdindamas gamtos sintetinės biologijos versiją; tada parodysiu, kaip mūsų augantis supratimas apie gyvybės molekulinius mechanizmus siūlo būdą atkurti gyvybės kilmę laboratorijoje.

Pirmasis gyvenimas: sintetinė biologija laukinėje gamtoje
Norėdami išspręsti gyvybės kilmės klausimą, turime turėti supratimą apie tai, kokia Žemė buvo prieš keturis milijardus metų. Yra gerų įrodymų, kad vandenynai jau egzistavo keliais šimtais milijonų metų anksčiau nei gyvavo. Vandenynai buvo sūrūs, tikriausiai kiek rūgštūs, vulkaninės sausumos masės kilo virš jūros lygio. Krituliai šiose salose sukūrė gėlo vandens tvenkinius, todėl jūrinė aplinka nėra vienintelė, kurioje galėjo prasidėti gyvybė. Atmosfera buvo anglies dioksido ir azoto mišinys, kuriame buvo mažai deguonies arba jo visai nebuvo, o vidutinė pasaulinė temperatūra buvo 60–70 °C, daug aukštesnė nei šiandieninė 15 °C. Taigi pirmosios gyvybės formos tikriausiai buvo panašios į termofilines bakterijas, kurios šiandien gyvena karštuosiuose šaltiniuose.

Kaip gyvenimas gali prasidėti tokioje neperspektyvioje aplinkoje? Charlesas Darwinas retkarčiais tuo susimąstydavo, nors buvo per daug konservatyvus, kad galėtų viešai spėlioti apie gyvybės kilmę. Privačiame laiške savo draugui Josephui Hookeriui jis rašė: Bet jei (o, koks didelis, jei!) galėtume pastoti kokiame šiltame tvenkinyje, kuriame būtų visokių amoniako ir fosforo druskų, šviesos, šilumos, elektros ir kt. ., dabar, kad baltymų junginys susidarė chemiškai pasiruošęs patirti dar sudėtingesnius pokyčius, šiuo metu tokia medžiaga būtų akimirksniu suryjama arba absorbuojama, o to nebūtų buvę prieš susiformuojant gyvoms būtybėms. Ir jo didžioji knyga „Apie rūšių kilmę“ paliečia klausimą vienu sakiniu: Žvelgiant į pirmąją gyvybės aušrą, kai visos organinės būtybės, kaip galime manyti, pateikė paprasčiausią struktūrą, kaip, buvo klausta, galėtų žengti pirmieji žingsniai tobulinant ar diferencijuojant dalis?

Mažiau iškalbingai, ko reikėtų, kad prasidėtų gyvybės evoliucija? Visų pirma, evoliucija veikia populiacijas, o ne atskirus organizmus, todėl turime rasti būdą, kaip prebiotinėje aplinkoje sukurti daug molekulinių sistemų. Be to, jų savybės turi labai skirtis. Keitimo populiacijoje reikalavimas reiškia, kad pirmosios gyvybės formos, galinčios evoliucionuoti, negali būti atsitiktiniai besikartojančių molekulių mišiniai, nesugebėtų susiburti į atskiras esybes; Vietoj to, tai būtų sąveikaujančių molekulių sistemos, įdėtos į kažką panašaus į ląstelę.

Laboratorija, įvairių rūšių: Autorius renka verdančių fumarolių mėginius Mutnovskio kalno krateryje, Kamčiatkoje, Rusijoje

Sistemos turėtų parodyti dvi pagrindines gyvybės funkcijas: augimą ir dauginimąsi. Ląstelės auga pasiimdamos maistines medžiagas – paprastas molekules iš aplinkos. Jie naudoja energiją, kad susietų tas molekules į polimerus, kuriuos vadiname baltymais ir nukleorūgštimis. Dauginimuisi reikalingas mechanizmas, kuriuo būtų galima saugoti genetinę informaciją, o vėliau ją atkartoti, kad informacija būtų perduodama genų pavidalu. Tačiau informacijos perdavimas būtinai yra netobulas. Turi įvykti tam tikras skaičius klaidų – mutacijų, kad susidarytų populiacijos skirtumai, pavyzdžiui, tie, kurie leido primityviajai gyvybei tyrinėti skirtingas nišas ir pradėti vystytis link nuostabios šiandieninės Žemės biosferos.

Mes kalbame apie gyvybės formas, daug paprastesnes nei net pačios primityviausios bakterijos, kurios egzistuoja dabar. Vis dėlto, kaip bet kokios rūšies ląstelės galėjo spontaniškai atsirasti iš atsitiktinių paprastų organinių molekulių mišinių? Perspektyva tokia stulbinanti, kad keli mokslininkai tvirtai pareiškia, kad mes niekada nesuprasime, kaip tai atsirado. Aš esu optimistiškesnis. Tačiau bandymas išsiaiškinti, kaip prasidėjo gyvenimas, yra sunkus darbas, be jokios abejonės, kad kada nors rasime atsakymus. Turime suformuluoti ir patikrinti hipotezes ir būti pasirengę leistis į didžiulę neištirtą teritoriją. Trumpai aprašysiu kai kuriuos šios kelionės etapus. Kai juos pripažįstame, galime pradėti kurti loginį narvą, kuris varžo spėliones ir nukreipia mus į atsakymus.

Pirmasis etapas: organinių monomerų šaltinis
Keturios pagrindinės biomolekulių rūšys yra aminorūgštys ir baltymai, angliavandeniai, nukleorūgštys ir lipidai. Beveik neabejotina, kad panašių – net identiškų – organinių junginių buvo prebiotinėje aplinkoje. Tokią išvadą padarė garsusis Stanley'io Millerio eksperimentas šeštojo dešimtmečio pradžioje, kai jis įprastų dujų mišinius paveikė elektros iškrovomis ir stebėjo aminorūgščių susidarymą. Nuo to laiko beveik visi pirminiai gyvybės anglies junginiai buvo susintetinti atliekant prebiotinius modeliavimus.

Simuliacinių tyrimų rezultatai buvo tvirtai paremti, kai 1969 m. rugsėjį į Žemę netoli Murčisono (Australija) nukrito nuostabus meteoritas. Buvo aišku, kad meteorite buvo organinės medžiagos, nes nuo karštų paviršių sklido keistas kvapas. Po keturiasdešimties metų, kai malau Murchison mėginius laboratorijoje, iš skiedinio sklinda tas pats kvapas – tuo pačiu metu dulkėtas, riebus ir rūgštus. Tai senovinis kvapas, senesnis už pačią Žemę, išlikęs penkis milijardus metų kometoje arba asteroide, iš kurio buvo kilęs pirminis meteoritas.

Murchison meteorite ir kituose anglies pavidalo meteorituose yra tūkstančiai organinių junginių, kurie buvo išanalizuoti – patvirtina Millerio eksperimentą, parodantį, kad biologiškai svarbūs organiniai junginiai iš tikrųjų susidaro nebiologinių procesų metu. Tai leidžia manyti, kad organiniai junginiai buvo prebiotinėje Žemėje, susintetinti geocheminiais procesais arba pateikti kaip meteoritas ir kometos kritimas daugiau nei prieš keturis milijardus metų.

Antrasis etapas: Savaiminis skyrių ir protoelementų surinkimas
Viso gyvenimo vienetas šiandien yra ląstelė. Mano moksliniai tyrimai yra susiję su membranų biofizika, o savo karjerą pradėjau tyrinėdamas lipidų membranas, kurios yra esminės ribos, apibrėžiančios gyvas ląsteles. Prieš dvidešimt metų, kai iš Meršisono meteorito gavau golfo kamuoliuko dydžio akmenį, norėjau sužinoti, ar meteoritinės organinės medžiagos mišinyje nėra nieko panašaus į lipidus, o tai galbūt atskleidžia, kaip gyvybė tapo ląsteliniu.

Ankstesniuose tyrimuose dažnai naudodavau chloroformo ir metanolio mišinį lipidams išgauti iš įvairių biologinių medžiagų, tokių kaip raudonieji kraujo kūneliai, chloroplastai, mitochondrijos ir net kiaušinių tryniai – paskutinis buvo turtingas fosfolipido, vadinamo lecitinu, šaltinis. O 1975 m. aš praleidau šabo atostogas Aleco Banghamo laboratorijoje, kuris septintajame dešimtmetyje, dirbdamas tyrimų institute netoli Kembridžo, Anglijoje, atrado, kad lecitinas gali savaime susidėti į membraninius maišelius arba pūsleles, kurios atsirado vadinami liposomomis. Dabar naudojau chloroformo ir metanolio mišinį, kad išskirčiau junginius iš Murchison akmens mėginių, tada panaudojau chromatografinę procedūrą, kad išgryninčiau tuos, kurie gali savaime susijungti į membranas. Kairiajame skydelyje 71 puslapyje parodyta, kas atsitiko, kai keli mikrogramai ekstrakto buvo išdžiovinti ant mikroskopo stiklelio ir veikiami vandeniu, kad būtų imituojami drėkinimo ir džiovinimo ciklai, kurie ankstyvojoje Žemėje būtų buvę dažni. Rezultatai buvo labai jaudinantys. Mišinyje buvo ne tik lipidams panašių molekulių, bet ir jos lengvai susirenka į ląstelės dydžio pūsleles.

Kai išanalizavome meteoritinių organinių medžiagų mišinį, nustatėme, kad kai kurie junginiai buvo trumpos grandinės riebalų rūgštys, į muilą panašios molekulės, turinčios 9–13 anglies atomų uodegą. Tai reiškė, kad eksperimentams atlikti nebereikėjo vertingų meteoritų medžiagos; galėtume ištirti iš chemijos tiekimo įmonių perkamų grynų junginių savybes. Pradėjome nuo dekano rūgšties, 10 anglies riebalų rūgšties, ir nustatėme, kad ji lengvai gamina pūsleles, panašias į tas, kurias gamina meteorito ekstraktai. Kitas klausimas buvo, ar tokiuose skyriuose galima įkapsuliuoti didesnes molekules, kad susidarytų protoląstelės, kurios apibrėžiamos kaip kapsuliuotos molekulių sistemos, tokios kaip RNR, kurios gali veikti kaip katalizatoriai ir genetinės informacijos nešėjai. Pasirodo, tai taip paprasta, kad tai būtų galima padaryti vidurinės mokyklos mokslo mugėje. Jei mikroskopinės pūslelės sumaišomos su didelėmis molekulėmis, tokiomis kaip baltymai ar nukleino rūgštys, tada per sauso ir šlapio ciklą maždaug pusė didelių molekulių patenka į pūsleles. Dešinėje mikrografo pusėje parodytos švytinčios lipidų pūslelės sudarytos iš dekano rūgšties, supančių DNR molekules.

Esmė ta, kad protoelementus labai lengva pagaminti naudojant paprastus savaiminio surinkimo procesus. Iš to išplaukia, kad tokios struktūros taip pat turėtų atsirasti prebiotikų aplinkoje.

Trečias etapas: polimerų sintezė
Visas gyvenimas šiandien naudoja fermentus polimerų sintezei katalizuoti. Ir beveik visos polimerinės gyvybės molekulės, įskaitant baltymus ir nukleino rūgštis, yra sintezuojamos iš monomerų, kurie yra chemiškai aktyvuoti – tai yra, jie įgauna energijos polimerizacijai – vykstant sudėtingiems medžiagų apykaitos procesams, kurie iš kiekvienos iš jų išgauna vandens molekulės ekvivalentą. Ribosomos sujungia aktyvuotas aminorūgštis per peptidinius ryšius, kad gamintų baltymus, o fermentai, vadinami polimerazėmis, katalizuoja esterinių jungčių susidarymą tarp aktyvuotų nukleotidų, kad susidarytų nukleino rūgštys.

Nieko tokio sudėtingo negalėjo nutikti prieš prasidedant gyvybei, tačiau įvairios paprastesnės reakcijos taip pat gali sukurti įdomių polimerų. Pavyzdžiui, Jamesas Ferrisas iš Rensselaerio politechnikos instituto Niujorke parodė, kad molio mineralas, vadinamas montmorilonitu, skatina polimerinės RNR sintezę iš aktyvuotų nukleotidų. Mineraliniai paviršiai adsorbuoja ir organizuoja nukleotidus, kurie vėliau susitraukia į polimerus. Be to, susidarius RNR molekulėms, jos gali patirti tam tikrą ribotą replikacijos procesą, kuriam nereikia fermentų. Leslie Orgel ir jo bendražygiai iš Salko instituto devintajame dešimtmetyje įrodė, kad chemiškai aktyvuoti nukleotidų monomerai išsirikiuoja ant sintetinių RNR šablonų Watson-Crick bazių poravimo būdu, kaip tai daroma dviguboje DNR spiralėje, o tada polimerizuojasi į antrąją RNR grandinę. .

Pagrindiniai Orgelio, Ferriso ir kitų stebėjimai aiškiai parodė, kad kažkas panašaus į RNR galėjo būti pirmasis polimeras, susijęs su gyvybės procesais. Papildomi įrodymai buvo pateikti, kai Thomas Cech iš Kolorado universiteto ir Sidney Altman iš Jeilio nustatė, kad tam tikri RNR tipai turi katalizinių savybių, o už šį atradimą jie pasidalijo Nobelio premiją. Tokios RNR molekulės, dabar vadinamos ribozimais, gali sukurti ir nutraukti specifinius cheminius ryšius savo struktūroje, o ne priklausomai nuo baltymų fermentų. Katalizinės RNR atradimas paskatino Nobelio laureatą chemiką Walterį Gilbertą iš Harvardo pasiūlyti RNR pasaulį, teigdamas, kad gyvybė prasidėjo ne nuo sudėtingų DNR, RNR ir baltymų sistemų, kurios apibūdina visą šiandieninį gyvenimą. Vietoj to, RNR molekulės galėjo būti katalizatoriai, taip pat saugoti ir perduoti genetinę informaciją. RNR pasaulio koncepcija dominuoja dabartiniame mąstymo apie gyvybės kilmę. Tyrimų grupės, vadovaujamos Geraldo Joyce'o iš Scripps tyrimų instituto, Davido Bartelio iš Whitehead instituto ir Peterio Unrau iš Simono Fraserio universiteto, bando įtraukti RNR į savaime besidauginančią molekulių sistemą. Svarbu tai, kad jie dažnai naudoja metodą, pagal kurį evoliucijos principai naudojami specifinei katalizinei veiklai pasirinkti iš mišinių, kuriuose yra trilijonai skirtingų RNR molekulių.

Tai atveda mus prie kito etapo.

Senesnis už žemę!: Kai autorius iš penkių milijardų metų senumo meteorito ištraukė tam tikras molekules ir leido joms sušlapti, jos savaime susirinko į ląstelę panašias pūsleles (kairėje). Jis taip pat nustatė, kad dekano rūgštis, riebalų rūgštis, esanti meteorite, lengvai formuoja panašias pūsleles – tokias, kurios gali įkapsuliuoti DNR (švyti, dešinėje).

Ketvirtasis etapas: katalizatorių evoliucija
Ar genetinė informacija kažkaip gali atsirasti atsitiktiniuose mišiniuose, iš esmės atsitiktinai? Jei atsakymas yra neigiamas, mes turime bėdą, nes tie iš mūsų, kurie dirba su gyvybės atsiradimu, tvirtina, kad būtent taip atsitiko prieš keturis milijardus metų, kai iš sterilaus mineralų mišinio atsirado pirmosios gyvybės formos. atmosferos dujos ir praskiesti organinių junginių tirpalai. Norėdami išspręsti šį klausimą, dar kartą peržiūrėsiu klasikinį eksperimentą, kurį Davidas Bartelis ir Jackas Szostakas paskelbė 1993 m., o Bartelis buvo Szostako laboratorijos absolventas. Jų eksperimentas yra vidutiniškai sudėtingas, tačiau rezultatas yra toks svarbus, kad verta paaiškinti čia. Tikslas buvo išsiaiškinti, ar visiškai atsitiktinė molekulių sistema gali būti evoliucine atranka taip, kad galėtų išsivystyti katalizinių savybių turinčios molekulės. Pirmasis žingsnis buvo susintetinti trilijonus skirtingų RNR molekulių, susidedančių iš maždaug 300 nukleotidų, išdėstytų atsitiktinėmis sekomis. Bartelis ir Szostakas samprotavo, kad tuose trilijonuose buvo palaidoti keli ribozimai, kurie katalizuoja surišimo reakciją, kai viena RNR grandinė yra susieta su antra grandine. Jie sukūrė procedūrą, kuri užfiksavo tas retas molekules, net jei jos tik silpnai katalizuoja reakciją. Tada jie naudojo fermentus, kad juos sustiprintų. Sustiprintos sekos buvo perduotos dar vienam atrankos ir amplifikacijos etapui, o procesas kartojamas 10 ciklų.

Rezultatai buvo stulbinantys. Padidėjęs katalizinis aktyvumas pradėjo pasireikšti po keturių ciklų, o po 10 raundų katalizės greitis buvo septynis milijonus kartų didesnis už nekatalizuojamą greitį! Netgi buvo galima stebėti, kaip vystosi RNR. Nukleino rūgštys gali būti paženklintos radioaktyviuoju fosfatu, tada atskirtos ir vizualizuojamos naudojant metodą, vadinamą gelio elektroforeze. RNR molekulių mišinys dedamas ant gelio viršaus ir įjungiama kelių šimtų voltų įtampa, dėl kurios molekulės migruoja žemyn per gelį. Didesnės molekulės labai toli nejuda, todėl atrodo kaip juostelės šalia gelio viršaus; mažesnės, greičiau judančios molekulės sudaro juosteles šalia vidurio ir apačios. Eksperimento pradžioje gelyje nieko nebuvo matyti, nes visos RNR molekulės buvo skirtingos. Tačiau po trijų ciklų atsirado atskiros juostos, o tai reiškia, kad tam tikros katalizinės rūšys jau buvo atrinktos. Toliau važiuojant dviračiu, kitos rūšys atsirado keletą ciklų, o paskui išnyko. Po 10 ciklų išliko dvi skirtingos RNR rūšys, atstovaujančios toms RNR molekulėms, kurios buvo efektyviausios katalizuojančios ligavimo reakciją.

Šie rezultatai parodo pagrindinį evoliucijos principą molekuliniu lygmeniu. Eksperimento pradžioje kiekviena RNR molekulė skyrėsi nuo visų likusių, tačiau tada buvo nustatyta atrankinė kliūtis ligavimo reakcijos forma, kuri leido išgyventi ir daugintis tik tam tikroms molekulėms. Rezultatas buvo toks, kad specifinės katalizinės molekulės atsirado per procesą, glaudžiai atspindintį Darvino natūralią atranką. Išvada: genetinė informacija iš tikrųjų gali atsirasti atsitiktiniuose mišiniuose, kol mišiniai prasideda daugybe polimerų, apibrėžtų įvairiomis nukleotidų sekomis, iš kurių galima pasirinkti ir sustiprinti specifines sekas, turinčias katalizinę savybę. Atrodo pagrįsta teigti, kad panašūs selektyvūs procesai galėjo vykti prebiotinėje Žemėje, kai pirmosios gyvybės formos savaime susirinko organinių junginių mišinyje ir pradėjo vystytis.

Penktasis etapas: kombinacinė chemija ir šiukšlių maišai
Dauguma chemikų mokosi atlikti savo eksperimentus serijomis, po vieną per dieną. Tačiau eksperimentai taip pat gali būti atliekami lygiagrečiai su technika, vadinama kombinatorine chemija. Šis metodas ypač naudingas farmacijos pramonėje, kurioje dažnai reikia eksperimentuoti su daugybe junginių, siekiant optimizuoti reakciją arba išbandyti naują vaistą. Robotas įrengia šimtus ar net tūkstančius mažų reakcijos kamerų norimais mišiniais, kurių kiekvienoje kameroje yra lašelis, kuris šiek tiek skiriasi nuo likusių. Pasibaigus reakcijai, kamerų aktyvumas tikrinamas atskirai.

Mano laboratorijoje atliekame kombinatorinės chemijos variantą, kai ruošiame liposomas, kolboje įpildami vandens į kelis miligramus sausų lipidų. Gaunama pieniška suspensija, kurioje yra ne tūkstančiai, o trilijonai atskirų mikroskopinių pūslelių, kurių dydis yra mažas – pusės mikrometro skersmuo. Jei pūslelės yra paruoštos tirpale, kuriame yra mažų peptidų ir trumpų nukleino rūgščių, tokių kaip RNR, kiekvienoje iš pūslelių bus skirtingas komponentų rinkinys, todėl kiekvienas iš jų yra mikroskopinis eksperimentas. Dabar pagalvokime apie ankstyvąją Žemę. Vietoj miligramų lipidų kolboje būtų buvę milijardai tonų organinės medžiagos, susikaupusios į didžiulį skaičių mikroskopinių struktūrų, o eksperimentui atlikti būtų prireikę pusės milijardo metų.

Gyvybės kilmę galima suprasti metaforiškai kaip kombinatorinę chemiją pasauliniu mastu. Kai kurie mikroskopiniai eksperimentai turėjo būti sėkmingi, todėl atsirado primityvios ląstelės, galinčios sugauti energiją ir maistines medžiagas, kad augtų polimerizacijos reakcijų būdu. Evoliucija prasidėjo, kai ląstelės užpildė ribotą nišą ir varžėsi dėl išteklių. Tuo metu natūrali atranka perėmė viršų, teikdama priemoką už tai, kaip efektyviai tam tikra ląstelė gali surinkti maistines medžiagas, kad galėtų augti. Įsivaizduoju, kad prasidėjus tvirtai ląstelių gyvybei, ji eksponentiškai išsiplėtė. Žemė, žiūrint iš kosmoso, galbūt net paraudo arba kurį laiką tapo žalia, kai fotosintetinės bakterijos užpildė vandenynus.

Ar kada nors atrasime ingredientų derinį, kuris sukėlė gyvybę? Vėlgi, esu optimistas. Turime pritaikyti tai, ką žinome apie gyvų sistemų chemiją ir fiziką, kad susiaurintume galimybes, tada būti pakankamai drąsiems ir iš tikrųjų atlikti kai kuriuos eksperimentus. Bet kokius eksperimentus turėtume išbandyti? Štai kur teorija gali mus vadovauti. Freemanas Dysonas, vienas didžiausių šių laikų fizikų teoretikų, taip pat domėjosi gyvybės kilme. Savo knygoje „Gyvybės kilmė“ Dysonas glaustai apibendrina tai, ką jums sakiau:

Gyvenimas prasidėjo nuo mažų maišelių, ląstelių pirmtakų, uždarančių nedidelius kiekius nešvaraus vandens, kuriame buvo įvairių šiukšlių. Atsitiktinis molekulių rinkinys maišelyje kartais gali turėti katalizatorių, kurie sukelia kitų molekulių sintezę, kurios veikia kaip katalizatoriai, sintetinant kitas molekules ir pan. Labai retai gali susidaryti molekulių rinkinys, kuriame yra pakankamai katalizatorių, kad laikui bėgant būtų galima atkurti visą populiaciją. Reprodukcija nebūtinai turi būti tiksli. Pakanka, jei katalizatoriai prižiūrimi apytiksliai statistiškai. Molekulių populiacija maišelyje dauginasi be jokio tikslios replikacijos. Kol tai vyksta, maišas gali augti dėl iš išorės besikaupiančių šviežių šiukšlių, o maišas kartais gali suskilti į du maišus, kai jį mėto audringais judesiais. Esminis klausimas yra, kokia tikimybė, kad dukteriniame maišelyje, pagamintame suskaidžius maišą su savaime besidauginančia molekulių populiacija, bus savaime besidauginanti populiacija? Kai ši tikimybė yra didesnė nei pusė, vienas iš tėvų susilaukia vidutiniškai daugiau nei vienos funkcinės dukters, gali įvykti divergentinė grandininė reakcija, padaugės maišelių, kuriuose yra savaime besidauginančių populiacijų, ir prasidės savotiškas gyvenimas.

Taip prasidedantis gyvenimas yra šiukšlių maišų pasaulis. Tai mažų protoląstelių, kurios tik statistiškai metabolizuoja ir dauginasi, pasaulis. Juose esančios molekulės tiksliai nesikartoja. Statistinis dauginimasis yra pakankamai geras natūralios atrankos pagrindas. Kai tik šiukšlių maišų pasaulis prasidės nuo grubiai besidauginančių protoląstelių, pradės veikti natūrali atranka, kad pagerintų katalizatorių kokybę ir dauginimosi tikslumą. Nenuostabu, jei milijonas metų atrankos sukurtų protoląsteles su daugeliu cheminių patobulinimų, kuriuos matome šiuolaikinėse ląstelėse.

Kitas gyvenimas: sintetinės ląstelės
Teorinės koncepcijos, tokios kaip RNR pasaulis ir Dysono šiukšlių maišų pasaulis, įkvėpė eksperimentinius metodus, kuriuose molekulių sistemos, uždarytos membranomis, yra pakankamai sudėtingos, kad turėtų kai kurias gyvybės savybes. Galutinis tikslas yra surinkti ląstelių sistemą, kuri galėtų naudoti energiją, kad augtų per katalizuojamą polimerizacijos, genetinės informacijos replikacijos ir evoliucijos procesą. Kelios laboratorijos inicijavo tokius tyrimus ir yra pagrindo manyti, kad dirbtinės gyvybės tikslas gali būti pasiektas per artimiausią dešimtmetį. Dabar papasakosiu trumpą dirbtinių ląstelių gamybos tyrimų istoriją.

Galbūt pirmas dalykas, kurį reikia suprasti, yra tai, kad molekulių, galinčių daugintis, sistemos surinkimas yra sena naujiena. Daugiau nei prieš 50 metų Heinzas Fraenkel-Conrat ir Robley Williams iš Berklio atrado, kad tabako mozaikos virusas gali būti atskirtas į jo apvalkalo baltymą ir RNR. Jei abu komponentai buvo sumaišyti, jie vėl susijungė į infekcijos sukėlėją. Visai neseniai, nuostabiai demonstruodami šiuolaikinius molekulinės biologijos metodus, Jeronimo Cello, Aniko Paul ir Eckard Wimmer iš Niujorko valstijos universiteto Stony Brooke sukūrė funkcinį poliomielito viruso genomą, sujungdami šimtus mažesnių susintetintų fragmentų. naudojant chemines technologijas. O prieš dvejus metus Hamiltonui Smithui ir jo kolegoms iš J. Craig Venter instituto Rokvilyje, MD, pavyko susintetinti visą genomą mažos bakterijų rūšies, vadinamos. Mycoplasma genitalium . Dėl to kilęs triukšmas rodo, su kuo susidurs pirmieji teiginiai, kad gyva ląstelė buvo surinkta iš savo dalių.

Virusų ir bakterijų genomų sintezė rodo, kad gali būti įmanomi dar sudėtingesni gaminiai. Jau daugelį metų žinojome, kad spontaniški savaiminio surinkimo procesai gali sukurti stebėtinai sudėtingas funkcinių molekulių sistemas. Efraimas Rackeris, dirbantis Kornelio universitete, aštuntajame dešimtmetyje pradėjo pastangas išskaidyti ir atkurti mitochondrijų membranas. Mitochondrijos yra tarpląstelinės organelės, esančios daugumoje ląstelių, o jų membranose yra fermentų, kurie pašalina elektronus iš medžiagų apykaitos produktų, gaunamų iš maistinių medžiagų, tokių kaip gliukozė. Šis procesas vadinamas elektronų pernešimu, nes tada elektronai praeina per fermentų grandinę mitochondrijų membranoje ir patenka į deguonį. Elektronų pernešimas yra glaudžiai susietas su antruoju transportavimo procesu, kurio metu teigiamai įkrauti protonai, gauti iš vandens, yra pumpuojami į išorę, todėl membranoje susidaro maždaug 0,2 volto elektrinis potencialas. Ši įtampa yra energijos šaltinis adenozino trifosfato (ATP), kuris perneša cheminę energiją ląstelėse ir todėl skatina daugumą gyvybės procesų, sintezei. Universalų ATP sintezės mechanizmą, dabar vadinamą chemiosmoze, 1961 m. pasiūlė Peteris Mitchellas, puikus britų mokslininkas, kuris vėliau atliko tyrimus savo namuose Bodmino mieste, Kornvalyje.

Rackeris ir jo mokiniai ištirpdė mitochondrijų membranas plovikliu, vadinamu deoksicholio rūgštimi. Vienas iš pirmųjų jo atradimų buvo tai, kad membranose buvo fermentas, kuris sujungė ATP sintezę su elektronų transportavimu. Jis tai pavadino sujungimo faktoriumi, tačiau dabar jis vadinamas ATP sintaze. Rackeris taip pat nustatė, kad ploviklį galima pašalinti dializės būdu – tiesiog įdedant skaidrų tirpalą į maišelį, sudarytą iš medžiagos, panašios į celofaną, ir paliekant per naktį praskiestoje druskos tirpale. Mažos ploviklio molekulės nutekėjo iš maišelio, tačiau didesnės molekulės negalėjo prasiskverbti pro porėtą medžiagą. Kitą dieną tirpalas buvo drumzlinas, nes vėl susirinko membraninės pūslelės, kuriose yra pirminių baltymų komponentų. Pūslelės buvo visiškai pajėgios elektronų transportavimo reakcijoms ir ATP sintezei. Tai buvo pirmasis labai sudėtingos biologinės funkcijos atkūrimas.

Maždaug tuo pačiu metu Waltheris Stoeckenius iš Kalifornijos universiteto San Franciske susidomėjo pigmentinėmis bakterijų rūšies membranomis. Halobakterija halobium , kuris gyvena itin sūriame vandenyje. Stoeckenius ir Dieter Oesterhelt sugebėjo išskirti purpurinį pigmentą – bakteriorodopsiną – ir nustatė, kad jo funkcija buvo sugerti šviesos energiją ir panaudoti energiją protonams pernešti per bakterijų membraną. Tada protonų gradiento energija buvo panaudota ATP sintezei. Rackeris ir Stoeckenius, abu Nacionalinės mokslų akademijos nariai, inicijavo retą dviejų vyresniųjų mokslininkų bendradarbiavimą. Jie naudojo Racker'io dializės metodą, kad atkurtų membraninių pūslelių sistemą, kurioje yra tik violetinių membranų protonų siurblys ir mitochondrijų ATP sintazė. 1974 m. jie pranešė, kad hibridinės pūslelės gali naudoti šviesą kaip energijos šaltinį ATP sintezei. Jų dokumentas padidino įrodymų, kurie galiausiai patvirtino chemiosmotinę ATP sintezę, už kurią Peteris Mitchellas buvo apdovanotas Nobelio premiją 1978 m., svarbą.

Šios trumpos istorijos esmė ta, kad stebėtinai sudėtinga biologinė funkcija gali būti atkurta savaime surenkant išsklaidytus komponentus. Kodėl nepabandžius atkurti visos ląstelės? Jei paaiškės, kad tai įmanoma, galbūt tai padės mums išsiaiškinti, ką reiškia gyvenimas, ir netgi išsiaiškinti pagrindinius žingsnius, atvedusius į ląstelių gyvybės atsiradimą.

Pier Luigi Luisi ir jo moksliniai bendradarbiai Ciuriche padarė pirmąjį bandymą 1999 m. į lipidų pūsleles įkapsuliuoti ribosomas kartu su sintetine RNR forma, kuri liepė ribosomoms įtraukti aminorūgštį fenilalaniną į baltymą. Buvo pagaminti keli trumpi peptidai, tačiau lipidų dvigubi sluoksniai yra nepralaidūs aminorūgštims, todėl sintezė apsiribojo tais fenilalaninais, kurie buvo pūslelių viduje. Vincentas Noireaux ir Albertas Libchaberis iš Rokfelerio universiteto išmaniai išsprendė pralaidumo problemą: kodėl nepridėjus kanalo prie pūslelių lipidų dvigubo sluoksnio? 2004 m. jie pranešė, kad jiems pavyko sukurti visą vertimo sistemą, atskirtą nuo E. coli , kartu su pasiuntinio RNR, kuri nukreipia žalio fluorescencinio baltymo (GFP) ir hemolizino, baltymo, kuris tarnauja kaip kanalas, leidžiantis iš išorės pridėtoms aminorūgštims ir ATP patekti į pūsleles, ribosomų sintezę. Sistema veikė net keturias dienas, o inkubacinio laikotarpio pabaigoje pūslelės švytėjo žaliai nuo susikaupusio GFP. Tetsuya Yomo ir jo tyrimų grupė Osakos universitete žengė dar vieną žingsnį toliau su panašia įkapsuliuota vertimo sistema, kurioje GFP genas yra DNR grandinėje. Jie savo sistemą vadina genetine kaskada, nes GFP genas yra transkribuojamas į pasiuntinio RNR, kuri vėliau nukreipia baltymo sintezę.

Šios įkapsuliuotos vertimo sistemos turi esminę gyvybės savybę: jos naudoja genetinę informaciją baltymui sintetinti, tačiau gaminami tik keli specifiniai baltymai, o visa kita paliekama. Kad protoląstelėms būtų tikrai gyvos, jiems reikės DNR grandinės su daugiau nei 200 skirtingų baltymų ir RNR rūšių genais, įskaitant polimerazės fermento genus, kad DNR būtų galima replikuoti. Taip pat turi būti lipidų sintezę katalizuojančių fermentų, nes membranos riba turi augti. Transporto baltymai turi būti įtraukti į lipidų dvigubą sluoksnį; kitaip pūslelės neturi prieigos prie išorinių maistinių medžiagų ir energijos šaltinių. Taip pat turėtų būti sukurtas visas reguliavimo procesų rinkinys, kad visas šis augimas būtų koordinuojamas. Galiausiai, kai pūslelės išauga iki maždaug dvigubai didesnio nei pradinio dydžio, jos turi pasidalyti į dukterines ląsteles, kurios dalijasi pradine genetine informacija.

Iš to išplaukia, kad net pati paprasčiausia gyvybė šiandien yra stebėtinai sudėtinga ir negalėjo atsirasti ankstyvojoje Žemėje, turėdama pilną šimtų genų komplektą. Turėjo būti kažkas paprastesnio – savotiška pastolių gyvybė, kuri prieš kelis milijardus metų buvo palikta evoliucinėse šiukšlėse. Atsižvelgiant į visa tai, kiek tikėtina, kad bus įvykdytas pagrindinis sintetinės biologijos pažadas – kad bus galima surinkti dirbtinę primityvios gyvos ląstelės versiją? Geriausias variantas yra ribozimas, kuris katalizuoja savo visišką sintezę iš ATP, UTP, GTP ir CTP – keturių RNR nukleotidų monomerų – naudojant genetinę informaciją, užkoduotą jo struktūroje. Jeigu kam nors pasiseks, rankose turėsime esminę savybę, kurios iki šiol trūksta dirbtinių ląstelių modeliuose – paties katalizatoriaus atgaminimą. Turėdami tokį ribozimą, mes jau žinome, kaip jį įtraukti į lipidų pūslelių sistemą, kuri gali augti kartu su ribozimu ir leisti maistinių medžiagų nukleotidams patekti į ląstelę, kad palaikytų augimą. Kaip Bartelis ir Szostakas parodė prieš 15 metų, inkapsuliuoti ribozimai turės galimybę vystytis. Trumpai tariant, sistema gyvuos.

Ir kas tada atsitiks? Žinoma, antraštės bus; vadovėliai bus perrašomi; o anksti ryte tikriausiai ką nors pažadins skambutis iš Stokholmo. Bet juk sloga nunyksta; kas nors paklaus: na ir kas? Tas pats klausimas galėjo būti paklaustas, kai 1953 m. buvo paskelbta dvigubos spiralės DNR struktūra. Atradimo mastas buvo aiškus tik po metų. Manau, kad pirmoji molekulių sistema, galinti daugintis, iš pradžių taip pat atrodys akademinė užduotis. Tačiau norint tinkamai suprasti, kad maistą, antibiotikus, aliejų, medieną, metaną ir vandenilį gamina gyvos ląstelės, atsiradusios po daugiau nei trijų milijardų metų evoliucijos. Manau, kad kita technologijų revoliucija prasidės tada, kai sintetinės gyvybės funkcijos gali būti atliekamos supaprastintomis ląstelių versijomis, kurios sukurtos pagal brėžinius, o ne per evoliuciją.

Davidas Deameris yra biomolekulinės inžinerijos profesorius Kalifornijos universitete Santa Kruze. Šiuo metu jis rašo knygą apie gyvybės kilmę, kurią išleis Kalifornijos universiteto leidykla.

paslėpti