Рубрики
Тaким oбрaзoм, пoслe 1960-x гoдoв, учeныe пытaются пoнять прoисxoждeниe жизни, были рaздeлeны нa три группы. Нeкoтoрыe из ниx были убeждeны, чтo жизнь нaчaлaсь с oбрaзoвaния примитивныx вeрсий биoлoгичeскиx клeтoк. Другиe пoлaгaли, чтo ключ-этo тoлькo пeрвый шaг мeтaбoличeскoй систeмы, и другиe всe eщe были сoсрeдoтoчeны нa вaжнoсти гeнeтики и рeпликaции. Пoслeдняя группa нaчaли выяснять, кaк этo мoжeт выглядeть, кaк пeрвый рeпликaтoр, кoтoрый пoдрaзумeвaeт, чтo oн был сдeлaн из РИБOНУКЛEИНOВOЙ кислoты.
Чaсть пeрвaя: кaк сдeлaть клeтку?
Чaсть втoрaя: рaскoл в рядax учeныx
Ужe в 1960-x гoдax, учeныe имeли oснoвaния пoлaгaть, чтo РНК являeтся истoчникoм всeй жизни.
В чaстнoсти, РНК мoжeт дeлaть тo, чтo нe мoжeт ДНК. Этo oднoцeпoчeчнaя мoлeкулa, тaким oбрaзoм, в oтличиe oт жeсткoй, двoйнoй спирaли ДНК, вы мoжeтe пoстaвить сeбя в рaзличныe фoрмы.
Похож на оригами складной РНК в целом напоминает поведение белки. Протеины также в основном представляют собой длинные цепи аминокислот, а не нуклеотидов — и это позволяет им создавать сложные структуры.
Это ключ к самой удивительной способности белков. Некоторые из них могут ускорить, или «катализатор», химические реакции. Эти протеины, известные как энзимы.
Многие ферменты можно найти у вас в кишечнике, где они ломают сложных молекул пищи на простые виды сахаров, которые могут использовать ваши клетки. Без ферментов, жить было бы невозможно.
Лесли Оргел и Фрэнсис Крик начали что-то подозрительное. Если РНК может быть согнута, как протеин, может быть, может и сформировать ферменты? Если бы это было правдой, то РНК может быть оригинальный и универсальный — живой молекулы, которая содержит информацию, как это делает теперь, и ДНК, и катализирующей реакцию, как делают некоторые протеины.
Это была красивая идея, но в десять лет не получил никаких доказательств.
Томас Чех, 2007 год
Томас Чех родился и вырос в штате Айова. В детстве он был очарован горных пород и минералов. И уже в средней школе он посмотрел в местном университете и постучал в дверь геологов, с просьбой показать модели структуры минералов.
Тем не менее, в конце концов, стал биохимик и сосредоточился на РНК.
В начале 1980-х годов Чех и его коллеги из Университета Колорадо в Боулдере изучила одноклеточного организма Tetrahymena thermophila. Часть своего мобильного телефона и механизмов включает в себя цепь РНК. Чех обнаружил, что один сегмент РНК каким-то образом отделен от остальных, как будто это был сокращен с ножницами.
Когда ученые убрали все ферменты и другие молекулы, которые могут действовать молекулярные ножницы, РНК, он продолжал чувствовать себя неуютно. Так они нашли первый фермент РНК: короткий участок РНК, который способен отрезать себя от длинной цепочки, к которой он принадлежит.
Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году. В следующем году другая группа ученых выяснила, второго фермента РНК, «рибозим» (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», он же фермент). Открытие двух энзимов РИБОНУКЛЕИНОВОЙ кислоты один за другим указывали на то, что мы должны быть много больше. И так идея начала жизни с РНК начале солидный вид.
Тем не менее, имя этой идеи он дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Как физик, восхищается молекулярной биологии, Гилберт стал также одним из первых сторонников секвенирования генома человека.
В 1986 году Гилберт написал в Nature, что жизнь началась в «мире РНК».
Первый этап развития, — заявил Гилберт, состоит из «молекул РНК, которые выполняют каталитическую активность, необходимую для того, чтобы построить себя в бульон нуклеотидов». Копировать и вставлять различные фрагменты РНК вместе, молекулы РНК может создавать еще более полезные последовательности. Наконец, они нашли способ, чтобы создать протеины, и протеины, энзимы, которые так полезны, что в значительной степени вытеснил версии РНК и дал начало жизни, которая у нас есть.
«Мир РНК» — это элегантный способ, чтобы собрать трудно жизнь с нуля. Вместо того, чтобы полагаться одновременное обучение нескольких десятков биологических молекул из первичного бульона, «один за всех» молекулы могли бы сделать всю работу.
В 2000 году гипотезу «мира РНК» получил огромную порцию неопровержимые доказательства.
Рибосома делает протеины
Томас Стейц провел 30 лет, изучая структуру молекул в живых клетках. В 1990 году он посвящает более серьезная задача: понять структуру рибосомы.
Рибосома в каждой живой клетке. Эта огромная молекула закон инструкции в РНК и строит аминокислот для того чтобы произвести протеины. Рибосомы в клетках они построили большую часть вашего тела.
Было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца продукт имеет подробное изображение структуры рибосомы, который показал, что РНК-это было ядро рибосомы.
Это было важно, так как рибосома является принципиально важным для жизни, и это очень древней. Тот факт, что это важно, машина была построена на РНК, сделал гипотеза «мира РНК» еще более достоверной.
Сторонники «мира РНК» восторжествовала, и в 2009 году Стейц он получил долю Нобелевской премии. Но когда ученые начали сомневаться. С самого начала идея «мира РНК» были две проблемы. Если РНК действительно выполнять все функции жизни для себя? Могли образоваться на первобытной Земле?
Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил основу для «мира РНК», и мы до сих пор не нашли доказательств того, что РНК может выполнять все, что от него требует теория. Это небольшой молекулярной способности, но может быть не в состоянии.
Ясно было одно. Если жизнь началась с молекулами РИБОНУКЛЕИНОВОЙ кислоты, РНК, должен быть способен делать копии самого себя: он должен быть опасным, самореплицирующейся.
Но ни одна из известных РНК не может подключиться. Как ДНК. Нужен батальон ферментов и других молекул, чтобы создать копию или кусок РНК или ДНК.
Так, в конце 1980-х годов, некоторые ученые начали очень донкихотские поиски. Имеют в виду, чтобы создать самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно.
Джек Шостак
Джек Шостак из Гарвардской школы медицины был одним из первых, тех, кто принимал в них участие. В детстве он был в восторге от химии, которая имеет лабораторию в подвале своего дома. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды он даже устроил взрыв, после чего в потолке застрял стеклянной трубки.
В начале 1980-х годов Шостак помогли показать, как гены защищают их от процесса старения. Это довольно раннего исследования, в конечном счете, привело часть Нобелевской премии. Тем не менее, очень скоро он удивился, энзимов РИБОНУКЛЕИНОВОЙ кислоты Чех. «Я думал, что это выдающаяся работа», — говорит он. «В принципе, это возможно, что РНК катализирует свое воспроизведение».
В 1988 году Чех обнаружили фермент РНК, что можно построить короткие молекулы РНК, около 10 нуклеотидов. Шостак решил улучшить открытие, после внесения новых энзимов РИБОНУКЛЕИНОВОЙ кислоты в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и контролируемой, если хотя бы один из них каталитические способности. Тогда они взяли эти последовательности, переделал и проверил еще.
После 10 раундов таких действий Шостак производится ферментом РНК, что ускоряет протекание реакции в семь миллионов раз. Он показал, что ферменты, РНК, могут быть очень мощными. Но их фермент не может дублировать себя, даже немного. Шостак в тупик.
Возможно, жизнь не началась с РНК
Следующий большой шаг он сделал в 2001 году бывший студент Шостака Давид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Бартель сделал РНК-фермент, R18, что может добавить новых нуклеотидов в цепи РНК на основе существующего шаблона. Другими словами, добавил он, не случайных нуклеотидов: он скопировал правильно последовательности.
В то время как это было все еще саморепликатор, но это уже что-то подобное. R18, состоящий из цепочки из 189 нуклеотидов и мог надежно добавить 11 нуклеотидов в одной цепи: 6% от своей собственной длины. Была надежда, что пару настроек позволяют построить цепочку длиной 189 нуклеотидов — как он.
Лучшее, что вы могли бы сделать, принадлежал Филиппу Холлигеру в 2011 году из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Его команда создала модифицированный R18 называется tC19Z, которые копируют последовательность до 95 нуклеотидов в длину. Это 48% от его длины: чем больше R18, но не на 100%.
Альтернативный подход был предложен Джеральд Джойс и Трейси Линкольн в научно-исследовательском Институте Scripps в La Jolla, Калифорния. В 2009 году они создали фермент, РНК, который умножает косвенно. Их фермент объединяет две короткие части РИБОНУКЛЕИНОВОЙ кислоты для того, чтобы создать второй фермент. Затем добавить две другие части РИБОНУКЛЕИНОВОЙ кислоты, для того, чтобы воссоздать фермент происхождения.
При наличии сырья этот простой цикл может продолжаться бесконечно. Но ферменты, они работали только тогда, когда они дали правильные цепь РНК, что он должен был сделать до Джойса и Линкольн.
Для многих ученых, которые скептически относятся к «миру РНК», даже опасно РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, видимо, просто не может взять и начать жизнь.
Также проблема усугубляется банкротства химические в попытке создать РНК с нуля. Казалось бы, простой молекулой, чем ДНК, но сделать его очень трудно.
Проблема лежит в сахаре и зависимости, которые входят в состав каждого нуклеотида. Вы можете сделать каждого из них по отдельности, но они упорно отказываются общаться. В начале 1990-х годов, эта проблема стала очевидной. Многие биологи заподозрили, что гипотеза «мира РНК», несмотря на апелляцию, может быть не совсем верным.
Вместо этого, возможно, в Земле был какой-то другой тип молекулы: что-то проще, РИБОНУКЛЕИНОВОЙ кислоты, которая в самом деле может собрать себя из первичного бульона и начать размножаться. Раньше может быть это молекулы, которые впоследствии привели к РНК, ДНК и другие.
ДНК вряд ли могут быть сформированы на ранней Земле
В 1991 году Питер Нильсен из Университета Копенгагена в Дании изобрели кандидата в первичные репликаторы.
Это был, по существу, сильно модифицированную версию ДНК. Нильсен, он сохранил те же основы — A, T, C и G, имеются в ДНК, но он сделал основную цепь молекулы под названием полиамидов, а не сахара, которые также присутствуют в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамида нуклеиновой кислоты, или PNA. Необъяснимо с тех пор он стал известен как пептидная нуклеиновая кислота.
PNK никогда не встречал в природе. Но он ведет себя почти как ДНК. Цепь PNA также может занять место одной из цепей молекулы ДНК, и на основе совокупляются, как обычно. Кроме того, PNK может крутить в двойной спирали ДНК.
Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически, что РНК-мир, он подозревал, что ПНА была гораздо более вероятным кандидатом, чтобы первым генетический материал.
В 2000 году он более безопасный продукт, чем доказательств. С течением времени ему уже исполнилось 70 лет, и он жил несколько ударов, которые могли бы поместить его в дом престарелых, но не сдался. Он повторял классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, на этот раз используя метан, азот, аммиак и воду — и получили в полиамид основе PNA.
Это позволило предположить, что ПНА, в отличие от РНК, могли образоваться на первобытной Земле.
Молекула треозо-нуклеиновой кислоты
Другие химики придумали свои альтернативные нуклеиновых кислот.
В 2000 году Альберт Эшенмозер сделал треозо-нуклеиновых кислот (ТНК). Это один и тот же ДНК, но с другой сахарной основе. Цепочки ТРАНСНАЦИОНАЛЬНЫХ корпораций, могут образовывать двойную спираль, а информация копируется в обоих направлениях между РНК и ТРАНСНАЦИОНАЛЬНЫХ корпораций.
Кроме того, ТНК могут быть согнуты в сложных форм, а также связываться с белком. Это предполагает, что ТНК может действовать как фермент, как РНК.
В 2005 году Эрик Меггес сделал гликолевой нуклеиновой кислоты, который может сформировать спиральную структуру.
Каждый из этих вариантов нуклеиновых кислот имеют своих сторонников. Но никаких следов их в природе не находится, так что если жизнь действительно использовал их, в какой-то момент пришлось полностью отказаться в пользу РНК и ДНК. Это может быть верно, но нет никаких доказательств, нет.
В конце концов, в середине 2000-х годов сторонники мира РНК находятся в затруднительном положении.
С одной стороны, РНК, ферменты, существовали и включала в себя одну из самых важных частей биологической инженерии, рибосома. Хорошо.
Но самовоспроизводящуюся РНК не может найти и никто не мог понять, как РНК образуется в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновых кислот может решить последнюю задачу, но нет никаких доказательств, что они существовали в природе. Не очень хорошо.
Очевидный вывод был: «мира РНК», несмотря на свое очарование, — это миф.
Между тем с 1980-х годов росла медленно, другая теория. Его сторонники утверждают, что жизнь началась с РНК, ДНК или другого генетического вещества. Вместо этого он начал с механизм использования энергии.
Жизнь нуждается в энергии, чтобы остаться в живых
Продолжение—.
Загадка появления жизни на Земле. Часть третья: в поисках первого репликатора
Илья Хель