İlk həyat: İlk replikatorun axtarışı

Bu gündən 4 MİLYAR il əvvəl: orta ölçülü bir ulduzun ətrafında yeni yaranan bir planetin səthi soyumağa başlayır. Bura meteoritlərin bombardman etdiyi və vulkanik püskürmələrin təsir etdiyi, zəhərli qazlarla dolu bir atmosferi olan şiddətli bir yerdir. Ancaq su, səthində hovuzlar və okeanlar meydana gətirməyə başlayan kimi, qeyri -adi bir şey olur. Özünü çoxalda bilən bir molekul və ya bəlkə də bir molekul dəsti yaranır.

Bu, təkamülün şəfəqi idi. İlk özünü kopyalayan varlıqlar ortaya çıxdıqdan sonra, təbii seçmə başladı və hər hansı bir nəslin özlərini təkrarlamalarını daha yaxşı edən dəyişikliklərə üstünlük verdi. Tezliklə ilk sadə hüceyrələr ortaya çıxdı. Qalanları tarixdən əvvələ aiddir.

Reklam

Milyardlarla il sonra, bu ilk hüceyrələrin nəslindən bəziləri, ən erkən atalarının necə olduğunu düşünə biləcək qədər ağıllı orqanizmlərə çevrildi. Hansı molekul hər şeyə başladı?

Hələ 1960-cı illərdə bu ağıllı orqanizmlərdən bir neçəsi ilk özünü kopyalayan molekulların DNT-nin yaxın əmisi oğlu RNT-dən hazırlandığından şübhələnməyə başladılar. Bu fikrin həmişə böyük bir problemi var idi - RNT molekullarının ilkin Yer kürəsində meydana gəlməsinin bilinən bir yolu yox idi. Və əgər RNT molekulları öz-özünə meydana gələ bilməsəydi, öz-özünə təkrarlanan RNT molekulları necə yarana bilərdi? Başqa bir replikator gəldi? Əgər belədirsə, bu nə idi? Cavab nəhayət ortaya çıxmağa başlayır.

Bioloqlar həyatın necə yarandığını ilk dəfə düşünməyə başlayanda, sual çaşqın görünürdü. Bu gün yaşayan bütün orqanizmlərdə zəhmət zülallar tərəfindən edilir. Zülallar vəhşi müxtəlif formalara bükülə və qatlana bilər, buna görə də çoxlu kimyəvi reaksiyalar katalizatoru olan fermentlər kimi fəaliyyət göstərmək də daxil olmaqla hər şeyi edə bilərlər. Ancaq zülalların istehsalı üçün lazım olan məlumatlar DNT molekullarında saxlanılır. DNT olmadan yeni zülallar edə bilməzsiniz və zülallar olmadan da yeni DNT yarada bilməzsiniz. Bəs ilk olaraq zülallar yoxsa DNT?

1960 -cı illərdə RNT -nin bu qədər mürəkkəb quruluşa daxil olmasa da bir protein kimi qatlana biləcəyi kəşfi bir cavab təklif etdi. Əgər RNT, məlumatları saxlamaqla yanaşı, reaksiyaları da kataliz edə bilsəydi, bəzi RNT molekulları daha çox RNT molekulu yarada bilər. Əgər belə olsaydı, RNT replikatorlarının zülallara ehtiyacı olmazdı. Hər şeyi özləri edə bilərdilər.

Bu cəlbedici bir fikir idi, amma o vaxt tam bir fərziyyə idi. Heç kim RNT -nin protein fermentləri kimi reaksiyaları katalizasiya edə biləcəyini göstərməmişdi. Onilliklər sürən axtarışlardan sonra 1982 -ci ilə qədər nəhayət bir RNT fermenti kəşf edildi. Boulderdəki Kolorado Universitetindən Thomas Cech, yeddi cinsdən ibarət qəribə bir hüceyrəli bir heyvan olan Tetrahymena thermophila'datapdı ( Elm, cild 231, s 4737).

Bundan sonra daşqın qapıları açıldı. İnsanlar canlı orqanizmlərdə daha çox RNT fermenti kəşf etdilər və laboratoriyalarında yeniləri yaratdılar. RNT, məlumatı DNT kimi saxlamaq, daha az sabit olmaq və ya zülallar kimi çox yönlü olmaq üçün yaxşı ola bilməz, amma bütün ticarətlərin molekulyar yuvası olduğu ortaya çıxdı. Bu, ilk həyatın 25 il əvvəl Harvard kimyaçısı Walter Gilbert tərəfindən dublyaj edildiyi kimi, daha çox RNT molekullarının istehsalını - "RNT dünyası" nı əmələ gətirən RNT molekullarından ibarət olduğu fikrinə böyük bir təkan oldu ( Təbiət, cild 319, s 618). .

Bu RNT replikatorları hətta cinsi əlaqədə ola bilər. Kəşf edilən RNA fermenti, heç bir köhnə reaksiyanı təkcə katalizasiya etməmişdir. Özünü daha uzun bir zəncirdən kəsə biləcək qısa bir RNT parçası idi. Reaksiyanın geri çevrilməsi zəncirlərə RNT əlavə edərdi, yəni RNA replikatorları bitləri digər RNT molekulları ilə əvəz edə bilərdi. Bu qabiliyyət təkamülü xeyli sürətləndirərdi, çünki ayrı -ayrı replikator nəsillərinin etdiyi yeniliklər bir soyda bir araya gətirilə bilərdi.

İnkişaf edən replikatorlar

Bir çox bioloq üçün klinker 2000-ci ildə, hüceyrələrdəki protein istehsal edən fabriklərin quruluşunun işləndiyi zaman gəldi. Bu iş, bu fabriklərin mərkəzində yuvalanmanın bir RNT fermenti olduğunu və zülalların RNT tərəfindən hazırlandığını, şübhəsiz ki, ilk növbədə RNT olduğunu təsdiqlədi.

Yenə də bəzi məsələlər qaldı. Birincisi, RNT -nin həqiqətən də özünü çoxalda biləcəyi aydın deyil. Hal -hazırda DNT və RNT -nin özlərini kopyalamaq üçün bir çox zülalın köməyinə ehtiyacı var. Özünü təkrar edən varsa, çoxdan yoxa çıxıb. Beləliklə, biokimyacılar təsadüfi RNT -ləri götürərək bir çox nəsillər üçün təkamül edərək nəyi ortaya qoyduqlarını görmək üçün bir dənə hazırlamağa başladılar.

2001 -ci ilə qədər bu proses, başqa bir RNT -ni şablon olaraq istifadə edərək, mövcud RNT -yə 14 nukleotidi - RNT və DNT -nin tikinti bloklarını - yapışdıra bilən R18 adlı bir RNT fermenti verdi ( Elm, cild 292, s 1319). Hər hansı bir özünü kopyalayan RNT, ən azından özü qədər uzun olan RNT-lər yaratmalıdır və R18 yaxınlaşmır. 189 nukleotid uzunluğundadır, ancaq edə biləcəyi ən uzun RNT yalnız 20 ehtiva edir.

Böyük bir irəliləyiş, bu ilin əvvəlində, İngiltərənin Kembricdəki MRC Molekulyar Biologiya Laboratoriyasından Philipp Holliger və həmkarları tC19Z adlı bir RNT fermentini ortaya qoyanda baş verdi. Özündən təxminən yarısı qədər 95 hərfə qədər RNA ardıcıllığını etibarlı şəkildə kopyalayır ( Elm, cild 332, s 209). Bunu etmək üçün, tC19Z bir RNT -nin ucuna sıxılır, düzgün nukleotidi bağlayır, sonra bir addım irəli hərəkət edir və başqa birini əlavə edir. Holliger deyir: "Bu qədər sadə bir molekulla bu qədər mürəkkəb bir şey edə biləcəyiniz hələ də ağlımı xarab edir".

"Bu qədər sadə bir molekulla bu qədər mürəkkəb bir şey edə biləcəyiniz hələ də ağlımı boğur."

Beləliklə, bioloqlar çoxalmaqla özünü çoxalda bilən bir RNT molekulu və ya bəlkə də bir molekul dəsti yaratmağa yaxınlaşırlar. Başqa bir yapışqanlıq qalır: bu fəaliyyəti idarə etmək üçün enerji haradan gəldi? Bir növ metabolik proses gedirdi-amma RNT tam bir metabolizma işinə baxmır.

Merilend ştatının Bethesda şəhərindəki Milli Ürək, Ağciyər və Qan İnstitutundan Adrian Ferré-D'Amaré deyir ki, "RNT-nin bütün kimyanı edə biləcəyinə dair narahat bir məsələ var". RNT -nin yalnız bir neçə kimyəvi reaksiyanın katalizasiyası ilə məhdudlaşan bir neçə kimyəvi aktiv "funksional qrupu" var.

Funksional qruplar alətlər kimidir - nə qədər çox çeşidiniz varsa, bir o qədər çox şey edə bilərsiniz. Proteinlər RNT -dən daha çox funksional qrupa malikdir. Bununla birlikdə, tək bir aləti daha çox yönlü hala gətirməyin bir yolu var: dəyişdirilə bilən başları olan tornavidalar kimi ona müxtəlif bitlər əlavə edin. Kimyəvi ekvivalentləri kofaktorlar kimi tanınan kiçik köməkçi molekullardır.

Proteinlər nəzarət edə biləcək reaksiyalar aralığını daha da genişləndirmək üçün kofaktorlardan istifadə edirlər. Ferré-D'Amaré, kofaktorlar olmadan, bildiyimiz kimi həyatın mövcud ola bilməyəcəyini söyləyir. Və məlum olur ki, RNT fermentləri kofaktorlardan da istifadə edə bilərlər.

2003 -cü ildə, indiki Yaponiya Tokio Universitetində olan Hiroaki Suga, bir çox protein fermentinin istifadə etdiyi NAD+ adlı bir kofaktörün köməyi ilə spirt oksidləşdirə bilən bir RNA fermenti yaratdı ( Nature Structural Biology, cild 10, s 713). Aylar sonra Yale Universitetindən Ronald Breaker, glmS adlı təbii bir RNT fermentinin də bir kofaktordan istifadə etdiyini tapdı.

Ferré-D'Amaré deyir ki, bir çox bakteriya glmS istifadə edir, buna görə də ya qədimdir, ya da kofaktorlardan istifadə edən RNT fermentləri asanlıqla inkişaf edir. Hər halda, sanki RNT molekulları enerji istehsal etmək üçün lazım olan reaksiyaları həyata keçirə bilərdi.

Beləliklə, bir zamanlar bir RNA dünyasının olduğuna dair sübutlar getdikcə daha inandırıcıdır. Yalnız bir neçə müxalifətçi qalıb. Kaliforniya ştatının La Jolla şəhərindəki Scripps Araşdırma İnstitutundan Donna Blackmond deyir: "RNT dünyası haqqında danışanlar çox şey itirmişlər". Ancaq hələ də böyük və aydın bir problem var: RNT ilk növbədə haradan gəldi?

RNT molekulları, öz növbəsində bir baza və bir fosfata bağlı şəkərdən hazırlanan nukleotidlərdir. Canlı hüceyrələrdə, çoxlu fermentlər nukleotidlərin istehsalında və onları bir araya gətirməkdə iştirak edirlər, lakin təbii ki, ilkin planetdə belə fermentlər yox idi. Gil olsa da. 1996 -cı ildə biokimyaçı Leslie Orgel göstərdi ki, "aktivləşdirildikdə" fosfata bir az bağlanmış nukleotidlər bir növ vulkanik gilə əlavə olunduqda, 55 -ə qədər nukleotidə qədər RNT molekulları əmələ gəlir ( Təbiət, cild 381, s 59) ). Adi nukleotidlərlə böyük RNT molekullarının əmələ gəlməsi enerji baxımından əlverişsiz olardı, ancaq aktivləşdirilmiş olanlar reaksiyanı idarə etmək üçün lazım olan enerjini verir.

Bu, erkən Yer kürəsində çox sayda aktivləşdirilmiş nukleotid olsaydı, böyük RNT molekullarının öz -özünə meydana gələcəyini göstərir. Üstəlik, Yerin əvvəlində və asteroidlərdə şəraiti təqlid edən təcrübələr şəkərlərin, əsasların və fosfatın təbii olaraq da meydana çıxacağını göstərir. Nukleotidləri bir araya gətirir ki, bu da çətin bir şeydir; Xüsusi fermentlər olmadan komponentlərə qoşulmağın heç bir yolu yoxdur. Molekulların şəklinə görə şəkərin bir baza qoşulması demək olar ki, mümkün deyil və bu meydana gəldikdə belə, birləşmiş molekul tez parçalanır.

Göründüyü kimi, aşılmaz çətinlik, bir çox bioloqun RNT -dən şübhələnməsinə səbəb oldu və nəticədə ilk replikator deyil. Bir çoxları, RNA dünyasının bir TNA dünyası, bir PNA dünyası və ya bəlkə də bir ANA dünyası olması ehtimalını araşdırmağa başladılar. Bunlar hamısı RNT -yə bənzər, lakin əsas vahidlərinin öz -özünə əmələ gəlmə ehtimalının daha çox olduğu düşünülən molekullardır. Bu fikrin ən böyük problemi budur ki, həyat bu şəkildə başlasaydı, heç bir dəlil qalmaz. "Siqaret çəkən silah görmürsən" deyir Scripps Araşdırma İnstitutundan Gerald Joyce.

Bu vaxt John Sutherland, MRC Molekulyar Biologiya Laboratoriyasında, nükleotid problemini həll etməyə çalışırdı. O, tədqiqatçıların bu mövzuda səhv yol tutduqlarını başa düşdü. "Hər bir nukleotiddə bir şəkər, bir baz və bir fosfat qrupu görürsən" deyir. "Beləliklə, əvvəlcə bu blokları düzəltməlisiniz və sonra onları bir -birinə yapışdırmalısınız ...

Bunun əvəzinə, daha sadə molekulların şəkər və ya baza halına gəlmədən bir nukleotidə birləşib -yığılmayacağını düşündü. 2009 -cu ildə bunun mümkün olduğunu sübut etdi. Yarım şəkər və yarım əsas götürdü və bir-birinə yapışdırdı-hər kəsin mübarizə apardığı vacib şəkər-əsas bağlantısını meydana gətirdi. Sonra qalan şəkər və baza vurdu. Sutherland fosfata sonuncu dəfə yapışdı, baxmayaraq ki, əvvəlki reaksiyalar üçün qarışıqda olması lazımdır ( Təbiət, cild 459, s 239).

Goldilocks kimyası

Sutherland fosfatı əvvəldən daxil etməklə qəsdən qarışıq idi, amma ən yaxşı nəticəni verdi. Bu cəsarətləndiricidir: ibtidai Yer dağınıq bir yer idi və nukleotidlərin istehsalı üçün ideal ola bilərdi. Sutherland indi eyni ərimə qabından çoxlu əsas birləşmələr çıxaracaq çox sadə olmayan və çox mürəkkəb olmayan bir "Goldilocks kimyası" olduğundan şübhələnir.

Holliger deyir: "Sutherlandda əsl irəliləyiş oldu. "Hamı səhv ağaca hürürdü."

Məsələ hələ tam həll olunmayıb. RNT -nin dörd fərqli nukleotidi var və indiyə qədər Sutherland onlardan yalnız ikisini istehsal etdi. Ancaq digər ikisinə "yaxınlaşdığını" söyləyir. Əgər müvəffəq olarsa, bu, bir RNT replikatorunun kortəbii şəkildə əmələ gəlməsinin heç də mümkün olmadığını və ilk replikatorun böyük ehtimalla RNT -dən olduğunu göstərəcək.

Əlbəttə bir çox suallar qalır. İlk replikatorlar harada yarandı? İlk həyat necə idi? DNT və zülallara keçid və genetik kodun inkişafı necə baş verdi? Əmin ola bilmərik, amma bir çox perspektivli yollar araşdırılır. Əksər bioloqlar, replikatoru ehtiva edən və komponentlərini bir yerdə saxlayan bir hüceyrə kimi bir şeyin ən başından var olduğunu düşünürlər. Bu şəkildə fərdlər qaynaqlar uğrunda yarışa və fərqli yollarla inkişaf edə bilər.

Harvard Universitetindən Jack Szostak, RNA zəncirləri istehsal edən eyni gilin, hüceyrələri əhatə edən hüceyrələr kimi, membrana bağlı kisələrin meydana gəlməsini təşviq etdiyini göstərdi. RNT daşıyan və hətta müasir mobil qurğular olmadan bölünə bilən "proto-hüceyrələr" yetişdirdi.

Başqa bir fikir, həyatın dənizin dibindəki qələvi hidrotermal deliklərdə başladığıdır. Bu deliklər nəinki məsamələr və baloncuklar ilə bağlanır, həm də hüceyrələrdə enerji istehsalını bu günə qədər aparan eyni növ elektrokimyəvi gradient təmin edir. Uzun RNT zəncirlərinin istehsalı üçün şərtlər ideal ola bilər.

Holligerin təəccüblü bir fikri var: bəlkə də hər şey buzda baş verib. Həyatın başladığı vaxtlarda günəş indikindən 30 % daha qaranlıq idi. Atmosfer istixana qazları ilə dolu olmasaydı, planet donacaqdı və qütblərə doğru buz da ola bilərdi.

Soyuq RNT daha uzun müddət davam edir və buzun bir çox faydası var. RNT və digər kimyəvi maddələrlə bağlanan su soyudulduqda, bir hissəsi donur, qalan hissəsi isə buz kristallarının ətrafında axan konsentratlı duzlu suya çevrilir. "Buzun içində kiçik ciblər var" deyir Holliger. Maraqlıdır ki, R18 RNA fermenti buzda otaq temperaturundan daha yaxşı işləyir ( Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms1076).

Hal -hazırda bu variantlar arasında seçim etmək mümkün deyil. Bildiyimizə görə ilk replikatorlardan heç bir fosil izi qalmamışdır. Ancaq RNA dünyasının necə yarandığını göstərmək üçün yenidən yaratmağa cəhd edə bilərik. Sutherland deyir ki, bir gün tezliklə kimsə bir qabı ilkin kimyəvi maddələrin qarışığı ilə dolduracaq, lazımi şəraitdə saxlayacaq və həyatın necə ortaya çıxacağını seyr edəcək. "Bu təcrübə aparılacaq."