- Første del: Hvordan man opretter en celle -
- Del to: En opdeling i forskernes rækker -
- Del fire: energien fra protoner -
- Del fem: så hvordan opretter du en celle? -
Del seks: Den store forening -
Så efter 1960'erne faldt forskere, der forsøgte at forstå livets oprindelse, i tre grupper. Nogle af dem var overbeviste om, at livet begyndte med dannelsen af primitive versioner af biologiske celler. Andre mente det metaboliske system var det vigtigste første skridt, mens andre fokuserede på betydningen af genetik og replikation. Denne sidste gruppe begyndte at finde ud af, hvordan den første replikator kunne se ud, forudsat at den var lavet af RNA.
Allerede i 1960'erne havde forskere grund til at tro, at RNA var kilden til alt liv.
Især kan RNA gøre noget, som DNA ikke kan. Det er et enkeltstrenget molekyle, så i modsætning til stift, dobbeltstrenget DNA, kan det folde sig ind i et antal forskellige former.
I lighed med origami var det foldende RNA generelt ens i opførsel som proteiner. Proteiner er også for det meste lange kæder - kun af aminosyrer, ikke nukleotider - og dette giver dem mulighed for at skabe komplekse strukturer.
Dette er nøglen til proteinernes mest fantastiske evne. Nogle af dem kan fremskynde eller "katalysere" kemiske reaktioner. Sådanne proteiner er kendt som enzymer.
Der findes mange enzymer i dine tarme, hvor de nedbryder komplekse molekyler fra mad til enkle typer sukker, som dine celler kan bruge. Det ville være umuligt at leve uden enzymer.
Leslie Orgel og Frances Crick begyndte at mistænke noget. Hvis RNA kan folde som et protein, kan det måske danne enzymer? Hvis dette var sandt, kunne RNA være et originalt - og universelt - levende molekyle, der lagrer information, som DNA gør nu, og katalyserer reaktioner, som nogle proteiner gør.
Det var en god idé, men på ti år har den ikke fået noget bevis.
Salgsfremmende video:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech blev født og opvokset i Iowa. Som barn blev han fascineret af klipper og mineraler. Og allerede på ungdomsskolen kiggede han på det lokale universitet og bankede på geologers døre med en anmodning om at vise modeller af mineralstrukturer.
Dog blev han til sidst biokemiker og fokuserede på RNA.
I begyndelsen af 1980'erne studerede Cech og kolleger ved University of Colorado i Boulder den encellede organisme Tetrahymena thermophila. En del af dets cellulære maskiner inkluderer RNA-strenge. Cech opdagede, at et enkelt segment af RNA på en eller anden måde var adskilt fra resten, som om det var blevet skåret ud med en saks.
Da forskerne fjernede alle enzymer og andre molekyler, der kunne fungere som molekylsaks, blev RNA fortsat udskilt. Så de fandt det første RNA-enzym: et kort stykke RNA, der kan skære sig selv ud af den lange streng, som det er en del af.
Cech offentliggjorde resultaterne af sit arbejde i 1982. Året efter opdagede en anden gruppe forskere et andet RNA-enzym, "ribozym" (forkortelse af "ribonukleinsyre" og "enzym", også kaldet enzym). Opdagelsen af to RNA-enzymer den ene efter den anden indikerede, at der skal være mange flere. Og derfor begyndte ideen om at starte livet med RNA at se solid ud.
Navnet på denne idé blev imidlertid givet af Walter Gilbert fra Harvard University i Cambridge, Massachusetts. Som fysiker med fascination af molekylærbiologi blev Gilbert også en af de tidlige fortalere for sekventering af det menneskelige genom.
I 1986 skrev Gilbert i Nature, at livet begyndte i "RNA-verdenen."
Gilbert hævdede, at det første udviklingsstadium bestod af "RNA-molekyler, der udførte den katalytiske aktivitet, der var nødvendig for at samle sig i en bouillon af nukleotider." Ved at kopiere og indsætte forskellige bit RNA sammen, kunne RNA-molekyler skabe endnu mere nyttige sekvenser. Endelig fandt de en måde at skabe proteiner og proteinenzymer på, som viste sig at være så nyttige, at de stort set erstattede RNA-versionerne og gav anledning til det liv, vi har.
RNA World er en elegant måde at genopbygge det komplekse liv fra bunden af. I stedet for at stole på den samtidige dannelse af snesevis af biologiske molekyler fra en urlig suppe, kunne et "en for alle" -molekyle gøre jobbet.
I 2000 modtog RNA-verdenshypotesen en kolossal del af underbyggende beviser.
Ribosomet fremstiller proteiner
Thomas Steitz brugte 30 år på at studere molekylers struktur i levende celler. I 1990'erne dedikerede han sig til sin mest alvorlige opgave: at finde ud af ribosomets struktur.
Der er et ribosom i hver levende celle. Dette enorme molekyle læser instruktioner i RNA og arrangerer aminosyrer til fremstilling af proteiner. Ribosomerne i dine celler har bygget det meste af din krop.
Det blev kendt, at ribosomet indeholdt RNA. Men i 2000 producerede Steitz's team et detaljeret billede af ribosomstrukturen, som viste, at RNA var den katalytiske kerne af ribosomet.
Dette var vigtigt, fordi ribosomet er grundlæggende vigtigt for livet og meget gammelt på samme tid. Det faktum, at denne essentielle maskine var bygget på RNA, gjorde RNA-verdenshypotesen endnu mere plausibel.
Tilhængere af "RNA-verdenen" sejrede, og i 2009 modtog Steitz en andel af Nobelprisen. Men siden da er forskerne begyndt at tvivle. Helt fra starten havde ideen om en "RNA-verden" to problemer. Kunne RNA virkelig udføre alle livets funktioner på egen hånd? Kunne den have dannet sig på den tidlige jord?
Det er 30 år siden Gilbert lagde grundlaget for "RNA-verdenen", og vi har stadig ikke fundet solide beviser for, at RNA kan gøre alt, hvad teorien kræver af den. Det er et lille dygtigt molekyle, men det er muligvis ikke i stand til at gøre alt.
Én ting var klar. Hvis livet begyndte med et RNA-molekyle, måtte RNA være i stand til at fremstille kopier af sig selv: det måtte være selvreplicerende, selvreplicerende.
Men ingen af de kendte RNA'er kan gentage sig selv. Det samme er DNA. De har brug for en bataljon af enzymer og andre molekyler for at skabe en kopi eller et stykke RNA eller DNA.
I slutningen af 1980'erne begyndte flere forskere derfor en meget quixotisk søgen. De besluttede selv at oprette et selvreplicerende RNA.
Jack Shostak
Jack Shostak fra Harvard School of Medicine var en af de første, der deltog. Som barn blev han så fascineret af kemi, at han startede et laboratorium i kælderen i sit hus. Når han forsømte sin egen sikkerhed, startede han engang en eksplosion, hvorefter et glasrør blev sat fast i loftet.
I de tidlige 1980'ere hjalp Shostak med at vise, hvordan gener beskytter sig mod aldringsprocessen. Denne temmelig tidlige undersøgelse fik ham til sidst et stykke af Nobelprisen. Dog meget snart beundrede han Cechs RNA-enzymer.”Jeg syntes, at dette job var fantastisk,” siger han. "I princippet er det fuldstændigt muligt, at RNA katalyserer sin egen reproduktion."
I 1988 opdagede Cech et RNA-enzym, der kan opbygge et kort RNA-molekyle 10-nukleotider. Shostak besluttede at forbedre opdagelsen ved at producere nye RNA-enzymer i laboratoriet. Hans team skabte et sæt tilfældige sekvenser og testede for at se, om nogen af dem havde katalytiske evner. Derefter tog de disse sekvenser, omarbejdede dem og testede dem igen.
Efter 10 runder med sådanne handlinger producerede Shostak et RNA-enzym, der accelererede reaktionen med syv millioner gange. Han viste, at RNA-enzymer kan være virkelig kraftige. Men deres enzym kunne ikke kopiere sig selv, ikke engang lidt. Shostak var i en blindgyde.
Måske startede livet ikke med RNA
Det næste store skridt blev taget i 2001 af den tidligere Shostak-studerende David Bartel fra Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. Bartel lavede R18 RNA-enzymet, der kunne tilføje nye nukleotider til RNA-strengen baseret på en eksisterende skabelon. Med andre ord tilføjede han ikke tilfældige nukleotider: han kopierede sekvensen korrekt.
Mens det endnu ikke var en selvreplikator, men allerede noget lignende. R18 bestod af en kæde på 189 nukleotider og kunne pålideligt tilføje 11 nukleotider til kæden: 6% af sin egen længde. Man håbede, at nogle få finjusteringer ville give ham mulighed for at opbygge en 189 nukleotidkæde - ligesom ham selv.
Det bedste blev gjort af Philip Holliger i 2011 fra Molecular Biology Laboratory i Cambridge. Hans team skabte en modificeret R18 kaldet tC19Z, der kopierede sekvenser op til 95 nukleotider i længde. Det er 48% af sin egen længde: mere end R18, men langt fra 100%.
En alternativ fremgangsmåde blev foreslået af Gerald Joyce og Tracy Lincoln fra Scripps Institute i La Jolla, Californien. I 2009 skabte de et RNA-enzym, der replikerer indirekte. Deres enzym kombinerer to korte stykker RNA for at skabe et andet enzym. Derefter kombineres de to andre RNA-stykker for at genskabe det originale enzym.
I betragtning af tilgængeligheden af råvarer kan denne enkle cyklus fortsættes på ubestemt tid. Men enzymer fungerede kun, når de fik de korrekte RNA-strenge, hvilket Joyce og Lincoln måtte gøre.
For mange forskere, der er skeptiske over for "RNA-verdenen", er manglen på selvreplikerende RNA et dødbringende problem med denne hypotese. RNA kan tilsyneladende simpelthen ikke tage og starte livet.
Problemet blev også forværret af kemikernes manglende evne til at skabe RNA fra bunden. Det ser ud til at være et simpelt molekyle sammenlignet med DNA, men det er ekstremt vanskeligt at fremstille det.
Problemet ligger i sukker og base, der udgør hvert nukleotid. Du kan gøre hver af dem separat, men de nægter stædigt at blive involveret. I de tidlige 1990'ere var dette problem blevet synlig. Mange biologer har mistanke om, at "RNA-verdenen" -hypotesen, på trods af al dens tiltrækningskraft, muligvis ikke er helt korrekt.
I stedet kan der have været en anden type molekyle på den tidlige jord: noget enklere end RNA, som faktisk kunne samle sig op fra den primære soppe og begynde at gengive sig selv. Først kunne der være dette molekyle, som derefter førte til RNA, DNA og så videre.
DNA kunne næppe have dannet sig på den tidlige jord
I 1991 kom Peter Nielsen fra Københavns Universitet i Danmark med en kandidat til primære replikatorer.
Det var i det væsentlige en stærkt modificeret version af DNA. Nielsen holdt de samme baser - A, T, C og G - findes i DNA - men lavede rygraden fra molekyler kaldet polyamider snarere end fra sukkerarter, som også findes i DNA. Han navngav den nye molekyle polyamidnukleinsyre, eller PNA. På en uforståelig måde er det siden blevet kendt som en peptidnukleinsyre.
PNA er aldrig fundet i naturen. Men det opfører sig næsten som DNA. PNA-strengen kan endda komme i stedet for en af DNA-molekylets strenge, og baserne er parret som sædvanligt. Derudover kan PNA sno sig ind i en dobbelt helix, ligesom DNA.
Stanley Miller var fascineret. Dybt skeptisk til RNA-verdenen mistænkte han, at PNA var en meget mere sandsynlig kandidat til det første genetiske materiale.
I 2000 fremlagde han nogle solide beviser. På det tidspunkt var han allerede fyldt 70 og havde lidt flere slag, der kunne sende ham til et plejehjem, men han gav ikke op. Han gentog sit klassiske eksperiment, som vi diskuterede i det første kapitel, denne gang ved hjælp af methan, nitrogen, ammoniak og vand - og fik en polyamidbaseret PNA.
Dette antydede, at PNA i modsætning til RNA godt kunne have dannet sig på den tidlige jord.
Threose nukleinsyremolekyle
Andre kemikere er kommet med deres egne alternative nukleinsyrer.
I 2000 fremstillede Albert Eschenmoser threose nucleic acid (TNK). Det er det samme DNA, men med et andet sukker i basen. TNC-kæder kan danne en dobbelt helix, og information kopieres i begge retninger mellem RNA og TNK.
Derudover kan TNC'er foldes i komplekse former og endda binde til proteiner. Dette antyder, at TNK kan fungere som et enzym, ligesom RNA.
I 2005 lavede Eric Megges en glykolisk nukleinsyre, der kan danne spiralformede strukturer.
Hver af disse alternative nukleinsyrer har sine egne talsmænd. Men ingen spor af dem kan findes i naturen, så hvis det første liv virkelig brugte dem, måtte det på et tidspunkt helt opgive dem til fordel for RNA og DNA. Dette kan være sandt, men der er ingen beviser.
Som et resultat, i midten af 2000'erne, befandt tilhængere af RNA-verdenen sig i en kvarter.
På den ene side eksisterede RNA-enzymer og omfattede en af de vigtigste dele af biologisk konstruktion, ribosomet. Godt.
Men selvreplicerende RNA blev ikke fundet, og ingen kunne forstå, hvordan RNA blev dannet i den oprindelige suppe. Alternative nukleinsyrer kunne løse sidstnævnte problem, men der er ingen bevis for, at de eksisterede i naturen. Ikke særlig godt.
Den åbenlyse konklusion var, at "RNA-verdenen" på trods af sin attraktivitet viste sig at være en myte.
I mellemtiden fik en anden teori gradvist fart siden 1980'erne. Dens tilhængere hævder, at livet ikke begyndte med RNA, DNA eller andet genetisk materiale. I stedet begyndte det med en mekanisme til at udnytte energi.
Livet har brug for energi for at forblive i live
ILYA KHEL
- Første del: Hvordan man opretter en celle -
- Del to: En opdeling i forskernes rækker -
- Del fire: energien fra protoner -
- Del fem: så hvordan opretter du en celle? -
Del seks: Den store forening -
