RAPORT

Wojna na Ukrainie

Białka, od których się wszystko zaczęło

Co jest podstawową cechą życia na Ziemi? (fot. NASA/Newsmakers)
Co jest podstawową cechą życia na Ziemi? (fot. NASA/Newsmakers)

Jak powstawały pierwsze białka i które to były? Co jest podstawową cechą życia na Ziemi? Jak zorganizować energię do życia? Oto pytania, którymi od lat zaprzątają swe głowy amerykańscy uczeni z Rutgers University w Nowym Brunswicku. Tym razem pod kierunkiem Paula Falkowskiego doszukują się początków życia na Ziemi w białkach wiążących metale.

Zobaczyć komórkę w nowym świetle

Kiedy w latach 1838-39 uczeni formułowali przekonanie, że organizmy żywe zbudowane są z komórek i to komórka jest jedyną formą, w której życie...

zobacz więcej

Zaranie życia na naszej planecie, zwłaszcza to przedkomórkowe, jest nadal bardzo tajemnicze. Darwin się nimi praktycznie nie zajął; z kolei zaangażowany w temat Oparin obciążony był komunizmem, jak jego pierś orderami Lenina. Czy zatem kierowała nim w badaniach ideologia?

Przyznać mu jednak trzeba, że etapy ewolucji życia na ziemi wytyczył w sposób do dziś niewzruszony w nauce: najpierw ewolucja chemiczna, potem molekularna, wreszcie biologiczna – gdy są już komórki (a przynajmniej jedna zdolna do podziałów komórka), których materiałem genetycznym jest DNA. Niekoniecznie owa ewolucja chemiczna i molekularna przebiegały, jak Oparin zakładał, ale zajść musiały.

Etap ewolucji chemicznej (czyli powstawania cegiełek składowych makromolekuł, takich jak aminokwasy czy zasady azotowe, proste cukry etc.) jest dziś zasadniczo zrozumiały. W październiku 2018 r. Thomas Carell z Uniwersytetu Monachijskiego obwieścił, że ciągiem kilku prostych reakcji, często zdolnych przebiegać obok siebie, jest w stanie uzyskać wszystkie cztery cegiełki budujące strukturę RNA. Zwane są one nukleotydami: adeninowym, guaninowym, cytozynowym i uracylowym. Nie zrobił tego w roztworze morskiej wody, bo to jak na razie jest niewykonalne.

Być może jednak wcale nie jest to potrzebne, skoro życie wyewoluowało raczej w bagnie – bo tam gdzie grząsko i błotniście najłatwiej uzyskiwać naturalną katalizę reakcji chemicznych związaną z oddziaływaniami powierzchniowymi, a składniki niezbędne dla powstania komórki się nie rozcieńczają, tylko okresowo wysychają. A to niezła selekcja. 

Kogo HIV nie zabija, czyli o elitarnych kontrolerach

Pacjenci zakażeni HIV i wyleczeni przez własną, unikatową konstrukcję biologiczną organizmu mogą kryć w sobie sekrety, które pozwolą kiedyś...

zobacz więcej

Podobnie ewolucja powstałej komórki daje się odtworzyć zarówno dzięki analizom mikroskamieniałości, jak i badaniom laboratoryjnym. Ewolucja wielokomórkowości też powoli jest rozszyfrowywana „w probówce .

Środek zaś, wszystko co między wyżej wspomnianymi etapami – czyli powstawanie makromolekuł – jest tajemnicze i nie bardzo nawet wiadomo, od czego zacząć. Z jednej bowiem strony powstaje problem: co było pierwsze, jajo czy kura, a w tym ujęciu: kwasy nukleinowe czy białka.

Oczywiście wykazanie, że RNA może mieć własności enzymatyczne (aczkolwiek głównie autokatalityczne), pomaga nam przywiązać się do teorii „świata RNA”, głoszącej, że to RNA było pierwsze, ale… Życie nie polega wyłącznie na przechowywaniu i obrabianiu informacji genetycznej. Życie wymaga energii, wynika z jej przepływu, a tu RNA nam na razie nic nie oferuje.

Dziś to wygląda tak, że komórka, nawet najprostsza, jest otoczona błoną komórkową. Ta selektywnie – dzięki rozlicznym białkom – przepuszcza pewne substancje (np. jony), a innych nie. Dzięki temu na błonie wytwarza się granica oddzielająca stężenia różnych substancji na zewnątrz komórki i wewnątrz. Tak powstaje różnica potencjałów elektrochemicznych.

Twoje INFO - kontakt z TVP INFO
Ta jest przerabiana przez kolejne białka błonowe na reakcje zwane na chemii w kasie 7 „redoks”. Coś się utlenia, a coś się jednocześnie redukuje, rzecz zaś cała pozwala odzyskiwać energię.

Skąd się biorą odciski palców

Prawdopodobieństwo powtórzenia się takich samych linii papilarnych u dwóch przypadkowych osób wynosi 1:64 mld. Nie jest znany zatem, bo jest nas tu...

zobacz więcej

Wszystkie cykle biochemiczne w żywych komórkach są zatem u swego zarania napędzane przez reakcje redoks. Reakcje redoks to też podstawa tzw. cykli biogeochemicznych. Wszystko, co żyje, musi gromadzić i wykorzystywać energię ze źródeł takich jak Słońce lub kominy hydrotermalne. Bez reakcji redoks się nie da.

Z tego założenia wyszli dziś autorzy pracy na łamach „Science Advances” z Rutgers University. Jak sami opisują: „Korzystając z nowatorskiej technologii, opartej na analizie sekwencji białek tak, by poznać ich strukturę, zbadaliśmy wzorce ewolucji enzymów odpowiedzialnych za reakcje redoks”.

W sercu takich enzymów, i nie powinno to dziwić nikogo, kto wie, czym w istocie jest prąd elektryczny i dlaczego nasz kable elektryczne są miedziane – znajduje się na ogół jon metalu tzw. przejściowego. Bo nic się tak świetnie nie nadaje do zmieniania swego stanu utlenienia, jak metale, chociażby żelazo, miedź itp. Mówiąc prościej zatem, stosowne algorytmy obejrzały, jak wyglądają dziś wyposażone w jon metalu centra aktywności najrozmaitszych enzymów ułatwiających przebieg reakcji utleniania i redukcji.

Analiza dostępnych tysięcy sekwencji wykazała, że te miejsca zawierające atom metalu przejściowego mają podobną strukturę i sekwencje aminokwasowe. Według uczonych owo podobieństwo może świadczyć o tym, że było one w stanie wszystkie wyewoluować z dosłownie kilku różnych niedługich łańcuchów peptydowych. Wszystkie zaś mogły na początku zajmować się jedynie owym kluczowym dla pozyskiwania przez komórki energii zjawiskiem przenoszenia elektronów – na tym w istocie polegają reakcje redoks.

Najwcześniejsze z nich wg wyliczeń naukowców, funkcjonowały już ponad 3,8 mld. lat temu. A to znaczy zanim pojawiły się komórki. Co zasadniczo nie dziwi. Jeśli chcemy mieć konstrukcje z LEGO, najpierw musimy mieć gotowe choć trochę różnych klocków.

Białka tańczą, jak im wirus zagra

Życie jest formą istnienia – i działania – białka. Tak jego definicję można próbować maksymalnie uprościć. Gdy białka się spotykają, i mają ku...

zobacz więcej

Same białka dziś funkcjonujące i pozwalające przeprowadzać np. transport elektronów wcale nie muszą być do siebie podobne. Od niemal 4 mld lat ewoluowały, rozwijały się i zmieniały, aby spełniać właściwe swoje funkcje w całej dziś istniejącej bioróżnorodności życia. Adaptowały się do swoich organizmów, a te – do swoich środowisk. Jednak ich „jądra” – miejsca najistotniejsze i centralne – nie zapomniały, skąd ich ród. I dzisiaj pozwalają odkryć ten początek.

Innymi białkami starymi tak, że mogłyby być u zarania, są specjaliści błonowi od przewodzenia jonów, zwani kanałami. Białka te pozwalają na najbardziej podstawową komunikację wnętrza komórki z zewnętrzem i do swego działania nie wymagają energii – działają zgodnie z gradientem stężeń.

Pytań zatem nadal jest niemało, ale dzisiejsze odkrycie ma spore implikacje, choć jest to klasyczna nauka in silico – robiona dzięki analizom big data i niemająca wiele wspólnego z eksperymentem w laboratorium czy obserwacja biologiczną.

Streszczenie swojej pracy autorzy badania kończą cytatem z Oparina, co dzisiaj już rzadko się zdarza: „Życie jest więc szczególną, bardzo złożoną formą ruchu materii, ale ta forma nie zawsze istniała i nie jest oddzielona od natury nieorganicznej nieprzekraczalną otchłanią; raczej powstało z materii nieorganicznej jako nowa właściwość w procesie ewolucji świata. Musimy przestudiować historię tej ewolucji, jeśli chcemy rozwiązać problem pochodzenia życia”. Trudno tu odmówić Oparinowi racji.

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej