Pirmā dzīve un nākamā dzīve

Šoferis izslēdza sava dārdošā Krievijas armijas karaspēka pārvadātāja dzinēju dziļa kanjona malā, ko izgriezusi ledāju kušanas ūdens straume. Mūsu mazā pētnieku grupa, kurā bija Stenfordas absolventi Džeimijs un Mīgens, pēcdoktori Jans un Džeiks no Vašingtonas Kārnegi institūta un mūsu gids Vladimirs, izkāpa no kravas automašīnas sveicienam pēc satraucoša piecu stundu brauciena no Petropavlovskas. Tad mēs satvērām savas pakas un sākām kāpt, kraukšķinot pāri sablīvētam sniegu un ledu starp mājas lieluma laukakmeņiem. Kad mēs apstājāmies, lai atvilktu elpu un atskatījāmies atpakaļ lejup, mēs varējām redzēt, kā pelnu un lavas plūsmas no pagātnes izvirdumiem ir izpostītas pakalnos un ielejās ar izkaisītiem zemu krūmu plankumiem aizsargātās vietās tālu lejā. Kamčatkas robainā vulkāniskā ainava noteica horizontu. Virs mums pacēlās mūsu mērķis: uzspridzinātā Mutnovska kalna virsotne, vulkāns, kas bija izvirduši tikai dažus gadus iepriekš.

Pēc divām stundām un 2000 pēdu augstāk mēs palūkojāmies pāri krātera malai. Bija grūti aptvert haosu zem mums. Šajā melnā un pelēkā akmens ainavā nebija nekā dzīva, izņemot mūsu sešu cilvēku komandu. Neliels ledājs otrā pusē kusa krāterī, un tālas rūkošas skaņas izskanēja no iekšpuses, kad tvaiki pacēlās zilajās debesīs. Zeme, gaiss, uguns un ūdens, man šķita, ir senie elementi, kas pulcējās šeit Krievijas tālajos austrumos, ko maisa siltumenerģija, kas palikusi no mūsu planētas vēstures sākuma. Izņemot ledāju, šī vieta šķita kā tā laika palieka — paraugs tam, kāda Zeme bija pirms četriem miljardiem gadu, pirms dzīvības sākuma. Mēs nokļuvām krāterī, dažkārt valkājot gāzmaskas, lai aizsargātu mūsu plaušas pret kodīgām gāzēm.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2009. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Mani lauka darbi Kamčatkā tika atbalstīti ar NASA dotāciju, un mūsu galvenais mērķis bija labāk izprast ģeoķīmiskos apstākļus, kas saistīti ar dzīvības izcelsmi uz Zemes un, iespējams, uz Marsa. Iepriekšējās publikācijās krievu valodā iznākošajos žurnālos bija ziņots, ka Kamčatkas vulkānu viršanas avotos un tvaikos ir organiski savienojumi, tostarp aminoskābes. Visi piekrīt, ka dzīvības izcelsmei bija nepieciešams organisko savienojumu avots, taču neviens īsti nezina, kāds varētu būt primārais avots. Viena iespēja ir tāda, ka lielākā daļa savienojumu tika ražoti ģeoķīmiskās sintēzes ceļā vulkāniskajos reģionos Zemes vēstures sākumā, un tas būtu īsts izrāviens, ja mēs varētu atklāt līdzīgas reakcijas vulkānos šodien.

Otrais mērķis būtībā bija nodrošināt manu likmi. Kā būtu, ja mēs nonāktu līdz Kamčatkai un neatradīsim nekādus organiskos savienojumus? Tas būtu apkaunojoši. Šī iemesla dēļ es paņēmu līdzi savienojumu maisījumu, kas ir līdzīgs tiem, kas, mūsuprāt, varēja būt pieejami pirms četriem miljardiem gadu, lai sāktu dzīvību: četras aminoskābes, taukskābe, fosfāts, glicerīns un četras nukleīnskābes bāzes. Mēs zinājām, ka laboratorijas apstākļos šie komponenti var reaģēt, veidojot sarežģītākus savienojumus, kas saistīti ar dzīvībai raksturīgajām molekulārajām struktūrām un funkcijām. Es ierosināju tos pievienot vulkāniskajam baseinam, lai redzētu, kas notiks. Lielākā daļa manu kolēģu uzskata, ka šāda veida eksperiments ir nedaudz muļķīgs, jo apstākļi ir tik nekontrolēti, bet es to uzskatu par realitātes pārbaudi. Mēs varam iegūt interesantas reakcijas, strādājot laboratorijā, bet ja mēs nepamanām kaut ko tādu, kas kļūst acīmredzams tikai tad, kad mēģinām simulēt šīs reakcijas dabiskā vidē?

Simbioze un sintētiskā bioloģija
Kad es pirmo reizi sāku dzirdēt šo terminu astrobioloģija pirms dažiem gadiem tas izklausījās dīvaini nesaskaņoti. Un tad parādījās vēl viena jauna disciplīna, kas bija vēl vairāk izstiepta: sintētiskā bioloģija . Taču tā attīstās zinātne — ar sava veida simbiozi starp šķietami nesaistītām disciplīnām, kurās tradicionālā bioloģija un ķīmija kļūst par bioķīmiju, bet bioloģija un fizika kļūst par biofiziku. Es sāku savu karjeru, veicot tradicionālos biofizikālos pētījumus par membrānām, bet tagad dažus manus pētījumus finansē NASA astrobioloģijas programma, un daudzus mūsu eksperimentus varētu raksturot kā sintētisko bioloģiju: inženiertehnisko metožu pielietošanu bioloģisko funkciju un sistēmu projektēšanai vai pārprojektēšanai.

Sintētiskās bioloģijas joma šobrīd ir karsta, jo tās metodes ir potenciāli ļoti spēcīgas. Sintētiskie biologi pietiekami zina par dzīvām sistēmām, lai lietderīgā veidā mainītu ģenētiskās programmas, tāpat kā eksperti datorprogrammētāji maina programmatūru. Bet kāds sakars šādai augsto tehnoloģiju zinātnei ar vulkāniem un dzīvības izcelsmi? Luiss Pastērs reiz komentēja, ka iespēja dod priekšroku sagatavotam prātam; ļoti bieži pat visvienkāršākie pētījumi rada nepieredzētu pielietojumu. Piemēram, viens no spēcīgākajiem molekulārās bioloģijas instrumentiem ir polimerāzes ķēdes reakcija (PCR), ko izmanto, lai pastiprinātu DNS, tas ir, lai izveidotu vairākas noteiktas secības kopijas. PCR sildīšanas un dzesēšanas cikli apvieno ar DNS sintēzi, ko veic polimerāze, enzīms, kas katalizē lielu molekulu (polimēru) veidošanos no mazām molekulām (monomēriem). Karijs Mulliss nāca klajā ar ideju 1983. gadā, vispirms izmantojot parasto polimerāzi E. coli baktērijas, bet bija nepieciešama polimerāze, kas varētu izturēt tuvu vārīšanās temperatūrai. 1965. gadā – pilnīgi nesaistītos pētījumos – Tomass Broks atklāja primitīvu baktēriju, kuru viņš nosauca. Thermus aquaticus , kas dzīvo Jeloustonas Nacionālā parka vulkāniskajos karstajos avotos. Šis organisms ir sākotnējais karstumizturības avots Taq polimerāze tagad tiek izmantota visās komerciālajās PCR ierīcēs.

Ja mēs sekojam Pastēra padomam, mēs varam palielināt iespēju, ka tiks atklāti šādi neticami atklājumi. Jo īpaši mēs varam sagatavot savu prātu, paplašinot sintētiskās bioloģijas jomu, lai ietvertu pētījumus par dzīvības izcelsmi. Es sākšu, aprakstot sintētiskās bioloģijas dabas versiju; tad es parādīšu, kā mūsu pieaugošā izpratne par dzīvības molekulārajiem mehānismiem liecina par veidu, kā laboratorijā reproducēt dzīvības izcelsmi.

Pirmā dzīve: sintētiskā bioloģija savvaļā
Lai risinātu jautājumu par dzīvības izcelsmi, mums ir nepieciešams priekšstats par to, kāda bija Zeme pirms četriem miljardiem gadu. Ir labi pierādījumi, ka okeāni jau pastāvēja, vairākus simtus miljonu gadu pirms dzīvības. Okeāni bija sāļi, iespējams, nedaudz skābi, un vulkāniskās zemes masas pacēlās virs jūras līmeņa. Nokrišņi uz šīm salām radīja saldūdens dīķus, tāpēc jūras vide nav vienīgā, kurā varēja sākties dzīvība. Atmosfēra bija oglekļa dioksīda un slāpekļa maisījums ar nelielu skābekļa daudzumu vai bez tā, un vidējā globālā temperatūra bija 60–70 °C, kas ir daudz augstāka nekā šodienas 15 °C. Tādējādi pirmās dzīvības formas, iespējams, atgādināja termofīlās baktērijas, kas mūsdienās apdzīvo karstos avotus.

Kā dzīve varēja sākties tik neperspektīvā vidē? Čārlzs Darvins laiku pa laikam par to prātoja, lai gan viņš bija pārāk konservatīvs, lai publiski spriestu par dzīvības izcelsmi. Privātajā vēstulē savam draugam Džozefam Hukeram viņš rakstīja: Bet, ja (un ak, cik liels!) mēs varētu ieņemt kādā siltā mazā dīķī, kurā būtu visādi amonjaka un fosfora sāļi, gaisma, siltums, elektrība utt. ., klāt, ka proteīna savienojums ir ķīmiski veidojies, gatavs vēl sarežģītākām izmaiņām, mūsdienās šāda viela tiktu uzreiz aprita vai uzsūkta, kas nebūtu noticis pirms dzīvu radību veidošanās. Un viņa lieliskā grāmata Par sugu izcelsmi pieskaras jautājumam vienā teikumā: Raugoties uz pirmo dzīves rītausmu, kad visas organiskās būtnes, kā mēs varam uzskatīt, uzrādīja visvienkāršāko struktūru, kā, ir jautāts, varētu ir sperti pirmie soļi daļu virzībā vai diferenciācijā?

Mazāk daiļrunīgi — kas būtu nepieciešams, lai sāktos dzīvības evolūcija? Pirmkārt, evolūcija darbojas uz populācijām, nevis atsevišķiem organismiem, tāpēc mums ir jāatrod veids, kā prebiotiskajā vidē radīt lielu skaitu molekulāro sistēmu. Turklāt to īpašībām jābūt lielām atšķirībām. Prasība pēc variācijas populācijā nozīmē, ka pirmās dzīvības formas, kas spēj evolūciju, nevarētu būt nejauši replicējošu molekulu maisījumi, kas nespēj apvienoties atsevišķās vienībās; tā vietā tās būtu mijiedarbojošu molekulu sistēmas, kas iekapsulētas kaut kā šūnā.

Laboratorija, sava veida: Autors ņem verdošu fumarolu paraugus Mutnovska kalna krāterī Kamčatkā, Krievijā

Sistēmām būtu jāparāda divas galvenās dzīvības funkcijas: augšana un vairošanās. Šūnas aug, uzņemot barības vielas - vienkāršas molekulas no vides. Viņi izmanto enerģiju, lai saistītu šīs molekulas polimēros, kurus mēs saucam par olbaltumvielām un nukleīnskābēm. Reprodukcijai ir nepieciešams mehānisms, ar kura palīdzību ģenētisko informāciju var uzglabāt un pēc tam pavairot, lai informāciju gēnu veidā varētu nodot tālāk. Taču informācijas nodošana noteikti ir nepilnīga. Ir jānotiek noteiktam kļūdu skaitam — mutācijām —, lai radītu populācijas izmaiņas, piemēram, tādas, kas ļāva primitīvai dzīvībai izpētīt dažādas nišas un sākt attīstīties pretī brīnišķīgajai mūsdienu Zemes biosfērai.

Mēs runājam par dzīvības formām, kas ir daudz vienkāršākas nekā pat primitīvākās baktērijas, kas šobrīd pastāv. Tomēr kā jebkura veida šūnas varēja spontāni parādīties no vienkāršu organisko molekulu nejaušiem maisījumiem? Izredzes ir tik prātam neaptveramas, ka daži zinātnieki nepārprotami apgalvo, ka mēs nekad nesapratīsim, kā tas radās. Esmu optimistiskāks. Bet mēģinājums atklāt, kā dzīve sākās, ir smags darbs, bez pārliecības, ka mēs kādreiz atradīsim atbildes. Mums ir jāformulē un jāpārbauda hipotēzes un jābūt gataviem doties plašā neizpētītā teritorijā. Es īsi aprakstīšu dažus šī ceļojuma pavērsienus. Kad mēs tos atzīstam, mēs varam sākt veidot loģisku būru, kas ierobežo spekulācijas un virza mūs uz atbildēm.

Pirmais pavērsiens: organisko monomēru avots
Četras galvenās biomolekulu šķirnes ir aminoskābes un olbaltumvielas, ogļhidrāti, nukleīnskābes un lipīdi. Nav šaubu, ka prebiotiskajā vidē bija līdzīgi - pat identiski - organiskie savienojumi. Tāds bija Stenlija Millera slavenā eksperimenta secinājums 1950. gadu sākumā, kurā viņš parasto gāzu maisījumus pakļāva elektriskajām izlādēm un novēroja aminoskābju veidošanos. Kopš tā laika praktiski visi primārie dzīvības oglekļa savienojumi ir sintezēti prebiotiskos simulācijās.

Simulācijas pētījumu rezultāti tika pārliecinoši atbalstīti, kad 1969. gada septembrī uz Zemes netālu no Mērčisonas, Austrālijā, nokrita ievērojams meteorīts. Bija skaidrs, ka meteorīts satur organisku materiālu, jo no karstajām virsmām parādījās dīvaina smaka. Pēc četrdesmit gadiem, kad laboratorijā samaļoju Mērčisona paraugus, no javas izplūst tāda pati smaka — vienlaikus putekļaina, eļļaina un skāba. Šī ir sena smaka, kas ir vecāka par pašu Zemi un piecus miljardus gadu saglabājusies komētā vai asteroīdā, no kuras tika iegūts sākotnējais meteorīts.

Mērčisona meteorītā un citos oglekli saturošos meteorītos ir tūkstošiem organisko savienojumu, kas ir analizēti, apstiprinot Millera eksperimentu, parādot, ka bioloģiski nozīmīgi organiskie savienojumi faktiski rodas nebioloģiskos procesos. Tas padara ticamu, ka organiskie savienojumi atradās uz prebiotiskās Zemes, vai nu sintezēti ģeoķīmiskos procesos, vai piegādāti meteorīta un komētas kritiena veidā pirms vairāk nekā četriem miljardiem gadu.

Otrais pavērsiens: nodalījumu un protošūnu pašmontāža
Visas dzīves vienība šodien ir šūna. Mana zinātniskā pieredze ir membrānu biofizikā, un es sāku savu karjeru, pētot lipīdu membrānas, kas ir būtiskas robežas, kas nosaka dzīvās šūnas. Pirms divdesmit gadiem, kad es ieguvu golfa bumbiņas lieluma akmeni no Merčisona meteorīta, es gribēju redzēt, vai meteorīta organisko vielu maisījumā ir kaut kas līdzīgs lipīdiem, iespējams, atklājot, kā dzīvība kļuva par šūnu.

Iepriekšējos pētījumos es bieži izmantoju hloroforma un metanola maisījumu, lai ekstrahētu lipīdus no dažādiem bioloģiskiem materiāliem, piemēram, sarkanajiem asinsķermenīšiem, hloroplastiem, mitohondrijiem un pat olu dzeltenumiem – pēdējais ir bagātīgs fosfolipīda, ko sauc par lecitīnu, avots. Un 1975. gadā es pavadīju atvaļinājumu Aleka Bangema laboratorijā, kurš 60. gados atklāja, strādājot pētniecības institūtā netālu no Kembridžas, Anglijā, ka lecitīns var spontāni pašsalikt membranozos maisiņos vai pūslīšos, kas ir nonākuši sauc par liposomām. Tagad es izmantoju hloroforma-metanola maisījumu, lai izolētu savienojumus no Mērčisona akmens paraugiem, pēc tam izmantoju hromatogrāfisku procedūru, lai attīrītu tos, kas varētu paši savākties membrānās. Kreisajā panelī attēlā 71. lpp. ir parādīts, kas notika, kad daži mikrogrami ekstrakta tika žāvēti uz mikroskopa priekšmetstikliņa un pakļauti ūdens iedarbībai, lai simulētu mitrināšanas un žāvēšanas ciklus, kas būtu bijuši bieži uz agrīnās Zemes. Rezultāti bija ļoti aizraujoši. Maisījumā bija ne tikai lipīdiem līdzīgas molekulas, bet arī tās viegli sapulcējās šūnas izmēra pūslīšos.

Analizējot meteorītu organisko vielu maisījumu, mēs atklājām, ka daži no savienojumiem bija īsas ķēdes taukskābes, ziepjveida molekulas, kurām ir 9 līdz 13 oglekļa atomu aste. Tas nozīmēja, ka eksperimentu veikšanai mums vairs nebija vajadzīgs materiāls no vērtīgiem meteorītiem; mēs varētu izpētīt no ķīmiskās piegādes uzņēmumiem iegādāto tīro savienojumu īpašības. Mēs sākām ar dekānskābi, 10-oglekļa taukskābi, un atklājām, ka tā viegli radīja pūslīšus, kas ir līdzīgi tiem, ko rada meteorīta ekstrakti. Nākamais jautājums bija par to, vai šādi nodalījumi varētu iekapsulēt lielākas molekulas, lai ražotu protošūnas, kas ir definētas kā iekapsulētas molekulu sistēmas, piemēram, RNS, kas var darboties kā katalizatori un ģenētiskās informācijas nesēji. Tas izrādās tik vienkārši, ka to varētu izdarīt vidusskolu zinātnes gadatirgū. Ja mikroskopiskās pūslīši tiek sajaukti ar lielām molekulām, piemēram, olbaltumvielām vai nukleīnskābēm, un pēc tam tiek veiktas sausā-mitrā cikla, apmēram puse lielo molekulu nonāk pūslīšu iekšpusē. Kvēlojošās lipīdu pūslīši, kas parādīti mikrogrāfa labajā panelī, sastāv no dekānskābes, kas ieskauj DNS molekulas.

Būtība ir tāda, ka protošūnas ir ļoti viegli ražot, izmantojot vienkāršus pašmontāžas procesus. No tā izriet, ka šādas struktūras varētu rasties arī prebiotiskos apstākļos.

Trešais pavērsiens: polimēru sintēze
Visa mūsdienu dzīve izmanto fermentus, lai katalizētu polimēru sintēzi. Un gandrīz visas polimēru dzīvības molekulas, tostarp olbaltumvielas un nukleīnskābes, tiek sintezētas no monomēriem, kas ir ķīmiski aktivizēti, tas ir, tie iegūst enerģiju, lai izietu polimerizāciju, izmantojot sarežģītus vielmaiņas procesus, kas no katras iegūst ūdens molekulas ekvivalentu. Ribosomas saista aktivētās aminoskābes, izmantojot peptīdu saites, lai ražotu olbaltumvielas, un fermenti, ko sauc par polimerāzēm, katalizē esteru saišu veidošanos starp aktivētajiem nukleotīdiem, lai iegūtu nukleīnskābes.

Nekas tik sarežģīts nevarēja notikt pirms dzīves sākuma, taču dažādas vienkāršākas reakcijas var radīt arī interesantus polimērus. Piemēram, Džeimss Feriss no Renselera Politehniskā institūta Ņujorkā parādīja, ka māla minerāls, ko sauc par montmorilonītu, veicina polimēru RNS sintēzi no aktivizētiem nukleotīdiem. Minerālu virsmas adsorbē un sakārto nukleotīdus, kas pēc tam saplūst polimēros. Turklāt, tiklīdz ir izveidotas RNS molekulas, tās var iziet ierobežotu replikācijas procesu, kam nav nepieciešami fermenti. Leslijs Orgels un viņa domubiedri Solkas institūtā 80. gados pierādīja, ka ķīmiski aktivētie nukleotīdu monomēri sarindojas uz sintētiskām RNS veidnēm, izmantojot Vatsona-Krika bāzu pārus, kā tas notiek DNS dubultajā spirālē, un pēc tam polimerizējas otrā RNS virknē. .

Orgela, Ferrisa un citu novērojumi skaidri liecināja, ka kaut kas līdzīgs RNS varētu būt pirmais polimērs, kas saistīts ar dzīvības procesiem. Papildu pierādījumi tika sniegti, kad Tomass Čehs Kolorādo universitātē un Sidnijs Altmans Jēlā atklāja, ka noteiktiem RNS veidiem piemīt katalītiskas īpašības, un par šo atklājumu viņi saņēma Nobela prēmiju. Šādas RNS molekulas, ko tagad dēvē par ribozīmiem, var izveidot un salauzt specifiskas ķīmiskās saites savā struktūrā, nevis atkarībā no proteīna fermentiem. Katalītiskās RNS atklāšana lika Nobela balvas ieguvējam ķīmiķim Valteram Gilbertam Hārvardā ierosināt RNS pasauli, norādot, ka dzīve nesākās ar sarežģītām DNS, RNS un proteīnu sistēmām, kas raksturo visu mūsdienu dzīvi. Tā vietā RNS molekulas varēja kalpot kā katalizatori, kā arī uzglabāt un pārraidīt ģenētisko informāciju. RNS pasaules koncepcija dominē pašreizējā domāšanā par dzīvības izcelsmi. Pētniecības grupas, ko vada Džeralds Džoiss Scripps pētniecības institūtā, Deivids Bartels Vaithedas institūtā un Pīters Unrau Saimona Freizera universitātē, mēģina iekļaut RNS pašreplicējošā molekulu sistēmā. Zīmīgi, ka tajos bieži tiek izmantota tehnika, kurā evolūcijas principi tiek izmantoti, lai atlasītu specifiskas katalītiskās aktivitātes no maisījumiem, kas satur triljonus dažādu RNS molekulu.

Tas mūs noved pie nākamā pavērsiena.

Vecāks par zemi!: Kad autors no piecus miljardus gadus veca meteorīta ekstrahēja noteiktas molekulas un ļāva tām samirkt, tās pašas savāca šūnām līdzīgās pūslīšos (pa kreisi). Viņš arī atklāja, ka dekānskābe, taukskābe, kas atrodas meteorītā, viegli veido līdzīgas pūslīšus - tādas, kas spēj iekapsulēt DNS (kvēlojošs, pa labi).

Ceturtais pavērsiens: katalizatoru evolūcija
Vai ģenētiskā informācija var kaut kā parādīties nejaušos maisījumos, būtībā nejauši? Ja atbilde ir nē, tad mums ir problēmas, jo tie no mums, kas strādā pie dzīvības izcelšanās, apgalvo, ka tieši tas notika pirms četriem miljardiem gadu, kad no sterila minerālu maisījuma parādījās pirmās dzīvības formas. atmosfēras gāzes un organisko savienojumu atšķaidīti šķīdumi. Lai risinātu šo jautājumu, es vēlreiz apskatīšu klasisko eksperimentu, ko Deivids Bārtels un Džeks Szostaks publicēja 1993. gadā, kamēr Bārtels bija Szostaka laboratorijas absolvents. Viņu eksperiments ir vidēji sarežģīts, bet rezultāts ir tik svarīgs, ka ir vērts to šeit izskaidrot. Mērķis bija noskaidrot, vai pilnīgi nejauša molekulu sistēma varētu iziet evolūcijas atlasi tā, lai varētu attīstīties molekulas ar katalītiskām īpašībām. Pirmais solis bija sintezēt triljonus dažādu RNS molekulu, kas sastāvēja no aptuveni 300 nukleotīdiem, kas sakārtoti nejaušās secībās. Bārtels un Szostaks sprieda, ka šajos triljonos bija aprakti daži ribozīmi, kas katalizēja ligācijas reakciju, kurā viena RNS virkne ir saistīta ar otru virkni. Viņi izstrādāja procedūru, kas uztver šīs retās molekulas, pat ja tās tikai vāji katalizēja reakciju. Tad viņi izmantoja fermentus, lai tos pastiprinātu. Pastiprinātajām sekvencēm tika veikta cita atlases un pastiprināšanas kārta, un process tika atkārtots 10 ciklus.

Rezultāti bija satriecoši. Paaugstināta katalītiskā aktivitāte sāka parādīties pēc četriem cikliem, un pēc 10 kārtām katalīzes ātrums bija septiņus miljonus reižu lielāks par nekatalizēto ātrumu! Bija pat iespējams vērot RNS attīstību. Nukleīnskābes var marķēt ar radioaktīvo fosfātu, pēc tam atdalīt un vizualizēt, izmantojot paņēmienu, ko sauc par gēla elektroforēzi. RNS molekulu maisījums tiek novietots gēla augšpusē un tiek pielikts vairāku simtu voltu spriegums, kas izraisa molekulu migrāciju lejup pa želeju. Lielākas molekulas nepārvietojas ļoti tālu, tāpēc tās parādās kā joslas gēla augšdaļas tuvumā; mazākas, ātrāk kustīgas molekulas veido joslas netālu no vidus un apakšas. Eksperimenta sākumā gēlos neko nevarēja redzēt, jo visas RNS molekulas bija atšķirīgas. Bet pēc trim cikliem parādījās atšķirīgas joslas, kas nozīmē, ka noteiktas katalītiskās sugas jau tika atlasītas. Turpinot riteņbraukšanu, dažas sugas parādījās dažus ciklus un pēc tam izmira. Pēc 10 cikliem izdzīvoja divas atšķirīgas RNS sugas, kas pārstāvēja tās RNS molekulas, kuras bija visefektīvākās ligācijas reakcijas katalizēšanā.

Šie rezultāti parāda evolūcijas pamatprincipu molekulārā līmenī. Eksperimenta sākumā katra RNS molekula atšķīrās no visām pārējām, bet pēc tam tika uzlikts selektīvs šķērslis ligācijas reakcijas veidā, kas ļāva izdzīvot un vairoties tikai noteiktām molekulām. Rezultāts bija tāds, ka specifiskas katalītiskās molekulas radās procesā, kas cieši atspoguļo Darvina dabisko atlasi. Secinājums: ģenētiskā informācija faktiski var parādīties nejaušos maisījumos, ja vien maisījumi sākas ar lielu skaitu polimēru, ko nosaka dažādas nukleotīdu sekvences, no kurām var atlasīt un pastiprināt īpašas sekvences ar katalītisku īpašību. Šķiet saprātīgi ierosināt, ka līdzīgi selektīvi procesi varēja notikt uz prebiotiskās Zemes, kad pirmās dzīvības formas paši savāca organisko savienojumu maisījumā un pēc tam sāka attīstīties.

Piektais pavērsiens: kombinatoriskā ķīmija un atkritumu maisi
Lielākā daļa ķīmiķu mācās veikt savus eksperimentus sērijveidā, vienu dienā. Taču eksperimentus var veikt arī paralēli ar tehniku, ko sauc par kombinatorisko ķīmiju. Šī pieeja ir īpaši noderīga farmācijas rūpniecībā, kurā bieži vien ir nepieciešams eksperimentēt ar lielu savienojumu skaitu, lai optimizētu reakciju vai pārbaudītu jaunas zāles. Robotu ierīce ielādē simtiem vai pat tūkstošiem mazu reakcijas kameru ar vajadzīgajiem maisījumiem, katrā kamerā ir piliens, kas nedaudz atšķiras no pārējām. Pēc reakcijas pabeigšanas kamerām tiek individuāli pārbaudīta aktivitāte.

Manā laboratorijā mēs veicam kombinatoriskās ķīmijas versiju, kad mēs sagatavojam liposomas, pievienojot ūdeni dažiem miligramiem sausa lipīda kolbā. Tiek iegūta piena suspensija, kas satur nevis tūkstošiem, bet triljoniem atsevišķu mikroskopisku pūslīšu mazu baktēriju izmēra diapazonā – pusmikrometra diametrā. Ja pūslīši ir sagatavoti šķīdumā, kas satur mazus peptīdus un īsas nukleīnskābes, piemēram, RNS, katra no vezikulām satur atšķirīgu komponentu kopu, tāpēc katra ir mikroskopisks eksperiments. Tagad padomāsim par agrīno Zemi. Tā vietā, lai kolbā būtu ievietoti miligrami lipīdu, tajā būtu bijuši miljardiem tonnu organisko materiālu, kas būtu salikti milzīgā skaitā mikroskopiskās struktūrās, un eksperimenta veikšanai būtu pagājuši pusmiljards gadu.

Dzīvības izcelsmi metaforiski var saprast kā kombinatorisko ķīmiju globālā mērogā. Daži no mikroskopiskajiem eksperimentiem noteikti bija veiksmīgi, kā rezultātā radās primitīvas šūnas, kas spēj uztvert enerģiju un barības vielas, lai augtu, izmantojot polimerizācijas reakcijas. Evolūcija sākās, kad šūnas aizpildīja ierobežotu nišu un sacentās par resursiem. Tajā brīdī dabiskā atlase pārņēma virsroku, liekot uzsvaru uz to, cik efektīvi konkrētā šūna var uztvert barības vielas, lai tās augtu. Es iedomājos, ka tad, kad sākās spēcīga šūnu dzīve, tā eksponenciāli paplašinājās. Zeme, skatoties no kosmosa, pat varēja būt sarkana vai kādu laiku kļuvusi zaļa, kad fotosintētiskās baktērijas piepildīja okeānus.

Vai mēs kādreiz atklāsim sastāvdaļu kombināciju, kas radīja dzīvību? Es atkal esmu optimistisks. Mums ir jāpiemēro tas, ko mēs zinām par dzīvo sistēmu ķīmiju un fiziku, lai sašaurinātu iespējas, un pēc tam jābūt pietiekami drosmīgam, lai faktiski veiktu dažus eksperimentus. Bet kādus eksperimentus mums vajadzētu izmēģināt? Šeit teorija var mūs vadīt. Par dzīvības izcelsmi interesējies arī viens no lielākajiem mūsdienu teorētiskajiem fiziķiem Frīmens Daisons. Savā grāmatā Origins of Life Disons lakoniski apkopo to, ko es jums teicu:

Dzīve sākās ar maziem maisiņiem, šūnu priekštečiem, kas aptver nelielu daudzumu netīra ūdens, kas satur dažādus atkritumus. Nejauši savākta molekulu kolekcija maisiņā dažkārt var saturēt katalizatorus, kas izraisa citu molekulu sintēzi, kas darbojas kā katalizatori citu molekulu sintezēšanai utt. Ļoti reti var rasties molekulu kolekcija, kas satur pietiekami daudz katalizatoru, lai laika gaitā vairotos visa populācija. Reprodukcijai nav jābūt precīzai. Pietiek, ja katalizatori tiek uzturēti aptuvenā statistiskā veidā. Molekulu populācija maisiņā pati vairojas bez precīzas replikācijas. Kamēr tas notiek, maiss var augt, no ārpuses sakrājoties svaigiem atkritumiem, un maiss dažkārt var saplīst divos maisos, kad tas tiek izmests ar vētrainām kustībām. Kritiskais jautājums ir, kāda ir varbūtība, ka meitas somā, kas iegūta, sadalot maisiņu ar pašreproducējošu molekulu populāciju, pati par sevi būs pašreproducējoša populācija? Ja šī iespējamība ir lielāka par pusi, vecāks vidēji ražo vairāk nekā vienu funkcionālu meitu, var rasties atšķirīga ķēdes reakcija, vairosies maisi, kuros ir pašreproducējošas populācijas, un ir sākusies sava veida dzīve.

Dzīve, kas sākas šādā veidā, ir atkritumu maisu pasaule. Tā ir mazu protošūnu pasaule, kas tikai statistiski metabolizējas un atražo sevi. Tajos esošās molekulas precīzi neatkārtojas. Statistiskā vairošanās ir pietiekami labs pamats dabiskajai atlasei. Tiklīdz atkritumu maisu pasaule sāksies ar neapstrādātu protošūnu reproducēšanu, dabiskā atlase darbosies, lai uzlabotu katalizatoru kvalitāti un reprodukcijas precizitāti. Nebūtu pārsteidzoši, ja miljons gadu selekcijas radītu protošūnas ar daudziem ķīmiskiem uzlabojumiem, ko mēs redzam mūsdienu šūnās.

Nākamā dzīve: sintētiskās šūnas
Teorētiskās koncepcijas, piemēram, RNS pasaule un Dysona atkritumu maisu pasaule, ir iedvesmojušas eksperimentālas pieejas, kurās membrānu aptvertās molekulu sistēmas ir pietiekami sarežģītas, lai tām būtu dažas dzīvības īpašības. Galīgais mērķis ir izveidot šūnu sistēmu, kas var izmantot enerģiju, lai augtu, izmantojot katalizētas polimerizācijas, ģenētiskās informācijas replikācijas un evolūcijas procesu. Vairākas laboratorijas ir uzsākušas šādus pētījumus, un ir pamats domāt, ka mākslīgās dzīvības mērķis varētu tikt sasniegts tuvākajā desmitgadē. Tagad es pastāstīšu īsu mākslīgo šūnu izgatavošanas pētījumu vēsturi.

Varbūt pirmais, kas jāsaprot, ir tas, ka reproducēt spējīgu molekulu sistēmas salikšana ir vecas ziņas. Vairāk nekā pirms 50 gadiem Heincs Fraenkel-Conrat un Robley Williams no Bērklija atklāja, ka tabakas mozaīkas vīrusu var sadalīt tā apvalka proteīnā un RNS. Ja abas sastāvdaļas tika sajauktas kopā, tās atkal tika saliktas infekcijas izraisītājā. Pavisam nesen, ievērojamā mūsdienu molekulārās bioloģijas metožu demonstrācijā, Džeronimo Čello, Aniko Pols un Ekards Vimmers Ņujorkas štata universitātē Stony Bruokā izveidoja funkcionālu poliomielīta vīrusa genomu, savienojot kopā simtiem mazāku sintezētu fragmentu. izmantojot ķīmiskās tehnikas. Un pirms diviem gadiem Hamiltonam Smitam un viņa kolēģiem J. Kreiga Ventera institūtā Rokvilā, MD, izdevās sintezēt pilnīgu genomu nelielai baktēriju sugai, ko sauc par Mycoplasma genitalium . Tā izraisītais satraukums liecina par to, ar ko saskarsies pirmie apgalvojumi, ka dzīva šūna ir no jauna salikta no tās daļām.

Vīrusu un baktēriju genomu sintēze liecina, ka var būt iespējami vēl sarežģītāki izdomājumi. Mēs jau gadiem ilgi zinām, ka spontāni pašsavienošanās procesi var radīt pārsteidzoši sarežģītas funkcionālu molekulu sistēmas. Efraims Rakers, kurš strādāja Kornela universitātē, 1970. gados bija pirmais mēģinājums sadalīt un atjaunot mitohondriju membrānas. Mitohondriji ir subcelulāri organoīdi, kas atrodas lielākajā daļā šūnu, un to membrānās ir iestrādāti fermenti, kas noņem elektronus no vielmaiņas produktiem, kas iegūti no barības vielām, piemēram, glikozes. Šo procesu sauc par elektronu transportu, jo elektroni pēc tam iziet cauri enzīmu ķēdei mitohondriju membrānā un tiek piegādāti skābeklim. Elektronu transportēšana ir cieši saistīta ar otro transportēšanas procesu, kurā pozitīvi lādēti protoni, kas iegūti no ūdens, tiek izsūknēti uz āru, radot aptuveni 0, 2 voltu elektrisko potenciālu visā membrānā. Šis spriegums nodrošina enerģijas avotu adenozīna trifosfāta (ATP) sintēzei, kas transportē ķīmisko enerģiju šūnās un tādējādi vada lielāko daļu dzīvības procesu. Universālo mehānismu, ar kura palīdzību tiek sintezēts ATP, ko tagad dēvē par ķīmijmozi, 1961. gadā ierosināja Pīters Mičels, ievērojams britu zinātnieks, kurš vēlāk veica pētījumus savās mājās Bodminā, Kornvolā.

Rakers un viņa skolēni izšķīdināja mitohondriju membrānas ar mazgāšanas līdzekli, ko sauc par deoksiholskābi. Viens no viņa pirmajiem atklājumiem bija tāds, ka membrānas satur fermentu, kas savienoja ATP sintēzi ar elektronu transportu. Viņš to minēja kā savienojuma faktoru, bet tagad to sauc par ATP sintāzi. Rakers arī atklāja, ka mazgāšanas līdzekli var noņemt ar dialīzi, vienkārši ievietojot dzidru šķīdumu maisiņā, kas sastāv no materiāla, kas atgādina celofānu, un ļaujot tam nostāvēties nakti atšķaidītā sāls šķīdumā. Mazās mazgāšanas līdzekļa molekulas izplūda no maisa, bet lielākas molekulas nevarēja tikt cauri porainajam materiālam. Nākamajā dienā šķīdums bija duļķains, jo bija atkal savākušās membrānas pūslīši, kas satur sākotnējos proteīna komponentus. Pūslīši bija pilnībā spējīgi uz elektronu transportēšanas reakcijām un ATP sintēzi. Tā bija pirmā ļoti sarežģītas bioloģiskās funkcijas atjaunošana.

Apmēram tajā pašā laikā Valters Stīkeniuss Kalifornijas Universitātē Sanfrancisko kļuva ziņkārīgs par baktēriju sugas pigmentētajām membrānām. Halobacterium halobium , kas dzīvo ārkārtīgi sāļā ūdenī. Stoeckenius un Dieter Oesterhelt spēja izolēt purpursarkano pigmentu - bakteriorodopsīnu - un atklāja, ka tā funkcija bija absorbēt gaismas enerģiju un izmantot enerģiju, lai transportētu protonus pa baktēriju membrānu. Pēc tam ATP sintezēšanai tika izmantota protonu gradienta enerģija. Pēc tam Rakers un Stīkeniuss, abi Nacionālās Zinātņu akadēmijas locekļi, uzsāka retu sadarbību starp diviem vecākajiem zinātniekiem. Viņi izmantoja Rackera dialīzes metodi, lai atjaunotu membrānu pūslīšu sistēmu, kas satur tikai purpursarkano membrānu protonu sūkni un mitohondriju ATP sintāzi. 1974. gadā viņi ziņoja, ka hibrīda pūslīši var izmantot gaismu kā enerģijas avotu ATP sintezēšanai. Viņu raksts papildināja pierādījumu svaru, kas beidzot apstiprināja ATP ķīmisko sintēzi, par ko Pīters Mičels 1978. gadā saņēma Nobela prēmiju.

Šīs īsās vēstures jēga ir tāda, ka pārsteidzoši sarežģītu bioloģisko funkciju var atjaunot, izmantojot izkliedētu komponentu pašsavienojumu. Kāpēc gan nemēģināt atjaunot veselu šūnu? Ja tas izrādīsies iespējams, iespējams, tas mums palīdzēs saprast, ko mēs saprotam ar dzīvi, un pat izskaidros galvenos soļus, kas noveda pie šūnu dzīvības izcelšanās.

Pjērs Luidži Luisi un viņa zinātniskie līdzstrādnieki Cīrihē veica pirmo mēģinājumu 1999. gadā iekapsulēt ribosomas lipīdu pūslīšos kopā ar sintētisko RNS formu, kas lika ribosomām iekļaut aminoskābi fenilalanīnu proteīnā. Tika ražoti daži īsi peptīdi, bet lipīdu divslāņi ir necaurlaidīgi pret aminoskābēm, tāpēc sintēze aprobežojās ar tiem fenilalanīniem, kas atradās vezikulās. Vincentam Noireaux un Albert Libchaber no Rokfellera universitātes bija gudrs risinājums caurlaidības problēmai: kāpēc gan nepievienot kanālu vezikulu lipīdu divslānim? Viņi 2004. gadā ziņoja, ka viņiem ir izdevies iekapsulēt pilnīgu tulkošanas sistēmu, kas izolēta no E. coli , kopā ar ziņojuma RNS, kas vada zaļā fluorescējošā proteīna (GFP) un hemolizīna ribosomālo sintēzi, proteīnu, kas kalpo kā kanāls, kas ļauj ārēji pievienotajām aminoskābēm un ATP iekļūt pūslīšos. Sistēma darbojās četras dienas, un inkubācijas perioda beigās pūslīši kvēloja zaļā krāsā no uzkrātā GFP. Tetsuya Yomo un viņa pētniecības grupa Osakas universitātē ir gājuši soli tālāk ar līdzīgu iekapsulētu tulkošanas sistēmu, kurā GFP gēns atrodas DNS virknē. Viņi savu sistēmu dēvē par ģenētisku kaskādi, jo GFP gēns tiek pārrakstīts ziņojuma RNS, kas pēc tam vada proteīna sintēzi.

Šīm iekapsulētajām tulkošanas sistēmām ir būtiska dzīvības īpašība: tās izmanto ģenētisko informāciju, lai sintezētu proteīnu, bet tiek ražoti tikai daži specifiski proteīni, un viss pārējais paliek aiz muguras. Lai protošūnām būtu patiesi dzīvas, tām būtu nepieciešama DNS virkne ar gēniem vairāk nekā 200 dažādām olbaltumvielām un RNS sugām, tostarp polimerāzes enzīma gēniem, lai DNS varētu replicēt. Jābūt arī enzīmiem, kas katalizē lipīdu sintēzi, jo membrānas robežai ir jāaug. Transporta proteīniem jābūt iekļautiem lipīdu divslānī; pretējā gadījumā pūslīšiem nav piekļuves ārējiem barības vielu un enerģijas avotiem. Ir jābūt arī veselam regulējuma procesu kopumam, lai visa šī izaugsme būtu saskaņota. Visbeidzot, kad pūslīši aug līdz aptuveni divreiz lielākam par sākotnējo izmēru, tiem ir jāsadala meitas šūnās, kurām ir kopīga sākotnējā ģenētiskā informācija.

No tā izriet, ka pat visvienkāršākā dzīvība mūsdienās ir pārsteidzoši sarežģīta un nevarēja pastāvēt uz agrīnās Zemes ar pilnu simtiem gēnu komplektu. Noteikti bija kaut kas vienkāršāks — sava veida sastatņu dzīvība, kas pirms vairākiem miljardiem gadu tika atstāta evolūcijas gruvešos. Ņemot to visu vērā, cik liela ir iespējamība, ka tiks izpildīts sintētiskās bioloģijas galvenais solījums — ka var salikt mākslīgu primitīvas dzīvas šūnas versiju? Vislabākais, iespējams, ir ribozīms, kas katalizē savu pilnīgu sintēzi no ATP, UTP, GTP un CTP — četriem RNS nukleotīdu monomēriem, izmantojot ģenētisko informāciju, kas kodēta tā struktūrā. Ja kādam tas izdosies, mums rokā būs būtiskā īpašība, kuras līdz šim trūkst mākslīgo šūnu modeļos: paša katalizatora reproducēšana. Ņemot vērā šādu ribozīmu, mēs jau zinām, kā to iekļaut lipīdu pūslīšu sistēmā, kas var augt kopā ar ribozīmu un ļaut barības vielu nukleotīdiem iekļūt šūnā, lai atbalstītu augšanu. Iekapsulētajiem ribozīmiem būs iespēja attīstīties, kā to pirms 15 gadiem pierādīja Bartels un Szostak. Īsāk sakot, sistēma būs dzīva.

Un kas tad notiek? Virsraksti, protams, būs; mācību grāmatas tiks pārrakstītas; un agri no rīta kādu droši vien pamodinās telefona zvans no Stokholmas. Bet pēc tam, kad viss hullabaloo nomirst; kāds cits jautās: Nu un ko tad? To pašu jautājumu varēja uzdot, kad 1953. gadā tika publicēta DNS dubultspirāles struktūra. Atklājuma apjoms kļuva skaidrs tikai gadus vēlāk. Es domāju, ka pirmā molekulu sistēma, kas spēj pati sevi atražot, arī sākotnēji šķitīs akadēmisks uzdevums. Bet, lai to aplūkotu pareizā perspektīvā, atcerieties, ka pārtiku, antibiotikas, eļļu, koksni, metānu un ūdeņradi ražo dzīvās šūnas, kas radušās vairāk nekā trīs miljardu gadu evolūcijas rezultātā. Es domāju, ka nākamā tehnoloģiju revolūcija sāksies tad, kad dzīvības sintētiskās funkcijas varēs veikt ar vienkāršotām šūnu versijām, kas ir izstrādātas pēc projektiem, nevis evolūcijas ceļā.

Deivids Dīmers ir biomolekulārās inženierijas pētnieks Kalifornijas Universitātē Santakrusā. Pašlaik viņš raksta grāmatu par dzīvības izcelsmi, ko izdos Kalifornijas universitātes izdevniecība.

paslēpties