RAPORT

Prorosyjska era Tuska

A jednak się powiela i ewoluuje! – czyli początek życia w probówce

Japończykom się właśnie udało pokazać to „w probówce” (fot. Shutterstock/totojang1977)
Japończykom się właśnie udało pokazać to „w probówce” (fot. Shutterstock/totojang1977)

Najnowsze

Popularne

„A jednak się kręci!” miał powiedzieć Galileusz, gdy inkwizycja nakazała mu wyrzeczenie się nauki Kopernika. Dziś japońscy uczeni wołają na łamach „Nature communicatons”: „A jednak się replikuje i ewoluuje!” Choć nikt na szczęście nie każe im się zaprzeć wiedzy, którą zdobywają na co dzień w materii chemicznych początków życia na Ziemi”. Sprawili, że w laboratorium sekwencja RNA pod wpływem replikacji zaczęła ewoluować i tworzyć grupy cząsteczek zerujących jedne na drugich, potem zaś nastała równowaga kooperacji. Czyli… „świat RNA” byłby całkiem możliwym początkiem życia na Ziemi.

Bakterie na wojnie z rakiem, czyli peleryna niewidka

Gdybyśmy mieli z marszu zdecydować, jakich chorób boimy się bardziej: bakteryjnych czy nowotworów, w XXI wieku bez zastanowienia powiedzielibyśmy,...

zobacz więcej

Na początku było…. Materialnie mnóstwo różnych cząsteczek chemicznych, które były w stanie na Ziemi powstawać w czasie jej stygnięcia z panującej wtedy atmosfery, przy współudziale naturalnych wyładowań elektrycznych, promieniowania ultrafioletowego (ozonowej warstwy jeszcze nie było) i wody spadającej na ziemię w formie lodu zawartego w meteorytach bombardujących naszą planetę. W uproszczeniu pierwszy etap przedbiologicznego rozwoju materii nieorganicznej, a z niej organicznej, to jakiś pierwszy miliard lat stygnięcia naszej planety.

To, jakie życie na Ziemi obserwujemy dziś, świadczy, że w pewnym momencie musiało dojść do powstawania związków organicznych o coraz bardziej skomplikowanym składzie, zwłaszcza tzw. biopolimerów. Dziś znamy ich wiele, występują one we wszystkich grupach organizmów żywych, spełniają rozliczne role (od bycia osłonami czy materiałami zapasowymi, po bycie enzymami aż po stanowienie zapisu genetycznego). Wśród biopolimerów bowiem jest i roślinna skrobia czy celuloza i bakteryjne peptydoglikany i wszelkie absolutnie peptydy i białka oraz kwasy nukleinowe.

Ta ostatnia grupa jest pod kątem badań nad początkami życia szalenie istotna, gdyż zapisuje w sobie informację o życiu i pozwala mu robić najważniejszą rzecz: trwać, powielać się oraz ewoluować. DNA dziś w sposób absolutnie wyłączny zapisuje „kod życia” w obecnie występujących żywych komórkach wszelkich rodzajów (a poza komórkami nie ma życia).

RNA jest przez nas powszechnie traktowany jako rodzaj „młodszego brata” – słabszy, mniej trwały w środowisku, zależny – w komórkach powstaje wyłącznie na matrycy DNA. A jak w wirusach czasem potrafi powstać na matrycy RNA, to rzadko. Wirusy zaś same nie są w stanie się namnażać, a zatem nie istnieją bez komórek. Gdzie, jak napisano – DNA jest królem, biblioteką informacji komórkowej, RNA zaś to takie pokserowane kartki z tych książek, ewentualnie współtwórca struktur komórkowych, jak rybosomy.

Nawet kleszcz się może przydać medycynie

Krzepnięcie krwi to tak ważny dla zdrowia i życia proces, że poświęcono mu osobną naukę – koagulologię. Badacze z tej dziedziny znaleźli w...

zobacz więcej

Czy zawsze tak było? To pytanie bardzo usprawiedliwione, odkąd wiemy (a wiemy od jakiś 30 lat), że RNA czymś bardzo zasadniczym różni się od DNA. Mianowicie potrafi się zachowywać jak enzym – czyli przeprowadzać reakcje chemiczne. Potrafi zatem RNA robić coś, czego DNA nie umie, a co kojarzy się nam na ogół z działaniem białek w naszej komórce. Kataliza zaś reakcji chemicznych jest niezbędna, bo większość ich nie zachodzi sama z siebie w znanych nam z Ziemi warunkach środowiska. Powstała zatem koncepcja „Świata RNA”.

Ta hipoteza zakłada, że skoro RNA może zarówno kodować informację genetyczną, jak i katalizować niektóre reakcje chemiczne, to na początku prebiotycznej ewolucji właśnie ów kwas nukleinowy stanowił punkt wyjścia. Innymi słowy – zdolne do dalszej samodzielnej ewolucji preludium, do wszystkiego, co dalej miało miejsce. Łącznie z zaistnieniem żywych komórek, zbudowanych z nich organizmów i populacji tych organizmów w środowisku.

Jednak ta hipoteza miała dotąd ze sobą jeden podstawowy problem. Wśród reakcji przeprowadzanych w naturze przez RNA było wiele różnych manipulacji, np. wycinanie się kawałków RNA z RNA albo przeprowadzanie biosyntezy białek w rybosomach, ale brakowało… replikacji. Czyli RNA mogłoby być na początku, ale nic by potem nie było, bo ono samo siebie nie umie powielać. A co za tym idzie – nie ewoluuje. A bez ewolucji nie ma życia tak samo jak bez replikacji.

Dziś uczeni z Japonii, która jest mekką badaczy „sztucznego życia” i ewolucji prebiotycznej, na łamach „Nature communications” pokazują, że jednak owszem, jednak tak – cząsteczki RNA są w stanie w wyniku replikacji ewoluować sekwencję, a nawet dają początek populacjom cząstek i ich rodom! Jedne będą pasożytować na innych, w końcu w toku ewolucji nastąpi równowaga. Czyli historia niemal jak skandynawska saga na temat RNA została zaobserwowana w długotrwałym doświadczeniu i spisana przez niewielki zespół pod kierunkiem Norikazu Ichihashi z Komaba Institute for Science na Uniwersytecie Tokijskim.

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

Nie jest jeszcze idealnie, bo wychodzimy w tym doświadczeniu od RNA, które niesie już w sobie zapisaną konkretną sekwencję. Aby było najprościej, jest to sekwencja kodująca enzym zdolny replikować RNA na matrycy RNA. Ów zaś ulega przepisywaniu na język białek – aby ta polimeraza niezbędna powstała. Musi się to dziać w systemie bezkomórkowym (woda w kropelkach oleju syntetycznego), ale korzysta się z enzymów dziś znajdowanych w pałeczce okrężnicy, czyli jej systemu translacji białek.

Jak piszą słusznie autorzy pracy, „w ewolucji prebiotycznej samoreplikujące się molekuły ewoluowały w złożone żywe systemy, rozszerzając swoje informacje i funkcje w sposób nieograniczony”. W ich długoterminowym eksperymencie (przeanalizowali 240 kolejnych rund powielania się RNA i jego mutowania w wyniku owych replikacji, co trwało bez przerwy 50 dni), powstaje cała sieć replikacyjna. Podczas tej ewolucji „RNA różnicuje się na wiele współistniejących linii RNA-żywiciela i RNA-pasożyta, których częstość występowania w populacji początkowo zmienia się gwałtownie i stopniowo stabilizuje.

Ostateczna populacja, składająca się z pięciu linii RNA, tworzy sieć replikatorów z różnymi interakcjami, w tym współpracą, aby wspomóc replikację wszystkich pozostałych członków. Wyniki te potwierdzają zdolność replikatorów molekularnych do spontanicznego rozwijania złożoności poprzez ewolucję Darwina, która jest kluczowym krokiem dla powstania życia.”

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

Istotnie zatem, podobnie do tego, jak zakłada hipoteza Świata RNA, system bardzo prosty i oparty o jedną cząsteczkę replikującą stał się z czasem systemem złożonym, gdzie różne co do sekwencji cząsteczki nie tylko istnieją – bo to banalne – ale „współżyją”. Czyli pojawiają się pomiędzy nimi relacje ekologiczne.

Wyjaśnić tu trzeba, co to RNA „żywiciel” i „pasożyt”. Skoro wyjściowy RNA koduje polimerazę RNA, będą w wyniku naturalnych pomyłek tego enzymu powstawać cząsteczki zmutowane. I nie będą one w stanie spowodować swojej replikacji – wtedy będą musiały „pasożytować” na tych, które są w stanie replikować.

Początkowo będą robić to „agresywnie” – liczba „pasożytów” wzrośnie. Nie bez końca jednak, bo gdy „klapnie” system replikacyjny, nic już nie będzie namnażane. Ustala się zatem równowaga.

Czy tak było na początku? Tego się już nie dowiemy, bo wehikułu czasu na razie jeszcze nie ma. Nie ulega jednak wątpliwości, że japońscy uczeni skonstruowali i przetestowali unikatowy system replikacji RNA, który może podlegać zasadom ewolucji darwinowskiej, czyli samonapędzającemu się procesowi ciągłych zmian opartych na mutacjach i doborze naturalnym.

W jaki sposób replikatory molekularne mogą rozwijać złożoność przez ciągłe poszerzanie informacji i funkcji, jest centralnym zagadnieniem ewolucji prebiotycznej. Hipotetyczną drogą do złożoności jest to, że nowe replikatory RNA będą sukcesywnie pojawiały się i współreplikowały, tak aby zwiększona w ten sposób pula informacji genetycznej mogła być przechowywana na poziomie populacji przed ich złożeniem w dłuższy genom. Japończykom się właśnie udało pokazać to „w probówce”.

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