|
Oprindelsen
til liv på Jorden Friske
spor giver et fingerpeg om, hvordan de første levende organismer opstod fra
livløst stof Alonso Ricardo & Jack W. Szostak*
Et eller andet sted skal man begynde
Hver levende celle, selv den
simpleste bakterie, vrimler med molekylære tingester, som enhver nanoteknolog
ville misunde. Mens de uophørligt ryster, spinder eller kravler omkring i
cellen, skærer, limer og kopierer disse maskiner genetiske molekyler, færger
næringsstoffer omkring eller laver dem til energi, bygger og reparerer
cellemembraner, videresender mekaniske, kemiske eller elektriske budskaber –
listen fortsætter og fortsætter og nye opdagelser føjes hele tiden til den. Det
er faktisk umuligt at forestille sig, hvordan en celles maskiner, som for det
meste er proteinbaserede katalysatorer kaldet enzymer, kunne være dannet
spontant, da livet først opstod fra ikke levende stof for omkring 3,7
milliarder år siden. Men under de rette forhold dannes nogle af proteinernes
byggesten, aminosyrerne, nemt ud fra simplere kemikalier, som Stanley L. Miller
og Harold C. Urey fra University of Chicago opdagede i pionereksperimenter i
1950'erne. Men at gå derfra til proteiner og enzymer er en anden sag. En
celles proces til fabrikation af proteiner involverer komplekse enzymer, der
trækker strengene i DNAs dobbeltspiral fra hinanden for at udtrække
informationen, som generne indeholder (blåtryk til proteinerne), og oversætte
den til det færdige produkt. At forklare, hvordan livet begyndte, fører
således til et alvorligt paradoks: det ser ud til, at det kræver proteiner –
såvel som informationen, der nu opbevares i DNA – for at lave proteiner. På
den anden side ville paradokset forsvinde, hvis de første organismer slet
ikke krævede proteiner. Nylige eksperimenter antyder, at det ville være
muligt for genetiske molekyler som DNA eller dets nære slægtning RNA at
dannes spontant. Og da disse molekyler kan krølle sammen i forskellige former
og virke som grove katalysatorer, er de måske blevet i stand til at kopiere
sig selv – at reproducere – uden behov for proteiner. De tidligste former for
liv kan have været enkle membraner lavet af fedtsyrer – også strukturer, som
man ved dannes spontant – der omsluttede vand og disse selvreproducerende
genetiske molekyler. Det genetiske materiale ville indkode de egenskaber, som
hver generation videregav til den næste, ligesom DNA gør i alle ting, der er
i live idag. Tilfældige mutationer, der dukkede op i kopieringsprocessen,
ville så drive udviklingen og sætte disse tidlige celler i stand til at
tilpasse sig deres miljø, at konkurrere med hinanden og med tiden blive til
de livsformer, vi kender. De
første organismers virkelige natur og de eksakte omstændigheder ved livets
oprindelse kan være gået tabt for evigt for videnskaben. Men forskning kan i
det mindste hjælpe os med at forstå, hvad der er muligt. Den endelige
udfordring er at konstruere en kunstig organisme, der kan reproducere og
udvikle sig. Påny at skabe liv vil afgjort hjælpe os med at forstå, hvordan
livet kan starte, hvor sandsynligt det er, at det eksisterer på andre
verdener og, i sidste ende, hvad liv er. Et eller andet sted skal man begynde Et af de vanskeligste og mest
interessante mysterier, der omgærder livets oprindelse, er nøjagtigt hvordan,
det genetiske materiale kunne være dannet ud fra de simplere molekyler, der
fandtes på den tidlige Jord. At dømme efter rollerne, som RNA har i moderne
celler, synes det sandsynligt, at RNA dukkede op før DNA. Når moderne celler
laver proteiner, kopierer de først gener fra DNA til RNA og bruger så RNA som
blåtryk til at lave proteiner. Dette sidste trin kunne have eksisteret
uafhængigt til at begynde med. Senere kunne DNA være dukket op som en mere
permanent form for opbevaring, takket være dets overlegne kemiske stabilitet. Forskerne
har en grund mere til at mene, at RNA kom før DNA. RNA versionen af enzymer,
kaldet ribozymer, spiller også en afgørende rolle i moderne celler. De
strukturer, der omdanner RNA til proteiner, er hybride RNA-protein maskiner
og det er RNA i dem, der udfører det katalysiske arbejde. Således ser det ud
til at hver eneste af vore celler bærer ”fossile” vidnesbyrd om en tidlig RNA
verden i sine ribosomer. Megen
forskning har derfor fokuseret på at forstå den mulige oprindelse til RNA.
Genetiske molekyler som DNA og RNA er polymerer (strenge af mindre molekyler)
lavet af byggeklodser kaldet nukleotider. Nukleotiderne har tre distinkte
komponenter: en sukker, en fosfat og en nukleobase. Nukleobaser kommer i fire
typer og udgør alfabetet i hvilket polymeren indkoder information. I en DNA
nukleotid kan nukleobasen være A, G, C eller T, som står for molekylerne
adenin, guanin, cytosin eller thymin; i RNA alfabetet erstatter bogstavet U,
for uracil, T. Nukleobaserne er nitrogenrige forbindelser, der binder til
hinanden ifølge en enkel regel; således danner A par med T (eller U), og G
parrer med C. Sådanne par danner trinnene i DNAs vredne stige – den velkendte
dobbeltspiral – og deres nøjagtige pardannelse er afgørende for trofast
kopiering af informationen, så en celle kan reproducere. Fosfat- og sukkermolekylerne
danner rygraden af hver streng i DNA eller RNA. Nukleobaser
kan samle sig spontant, i en serie trin, fra cyanid, acetylen og vand –
simple molekyler, der bestemt var tilstede i den tidlige blanding af
kemikalier. Sukre er også nemme at samle ud fra simple startmaterialer. Man
har i over 100 år vidst, at blandinger af mange typer sukkermolekyler kan
opnås ved at opvarme en alkalisk opløsning af formaldehyd, som også ville
have været til rådighed på den unge planet. Problemet er imidlertid, hvordan
man opnår den ”rette” slags sukker – ribose, i RNAs tilfælde – til at lave
nukleotider. Ribose kan, sammen med tre nært beslægtede sukre, dannes fra
reaktionen af to simple sukre, der indeholder to og tre carbon atomer,
henholdsvis. Riboses evne til at dannes på denne måde løser imidlertid ikke
problemet med, hvordan det blev udbredt på den tidlige Jord, fordi det viser
sig, at ribose er ustabil og hurtigt nedbrydes i selv en mild alkalisk
opløsning. I fortiden har denne observation ført mange forskere til at
konkludere, at de første genetiske molekyler ikke kan have indeholdt ribose.
Men en af os (Ricardo) og andre har opdaget måder, hvorpå ribose kunne være
blevet stabiliseret. Nukleotidernes
fosfatdel viser en anden interessant gåde. Fosfor – den centrale del af
fosfatgruppen – er udbredt i Jordens skorpe
men mest i mineraler, der ikke opløses nemt i vand, hvor livet
antagelig stammer fra. Så det er ikke indlysende, hvordan fosfater ville være
kommet ind i den præbiotiske blanding. Vulkanventilers høje temperaturer kan
omdanne mineraler med indhold af fosfat til opløselige former for fosfat, men
de frigjorte mængder er små, i det mindste nær moderne vulkaner. En komplet
anderledes potentiel kilde til fosfor er schreibersit, et minereal der findes
almindeligt i visse meteorer. Byggesten:
De første genetiske molekyler
I 2005 opdagede Matthew Pasek og
Dante Lauretta fra University of Arizona, at korrosion af schreibersit i vand
frigiver dets fosfor komponent. Denne sti forekommer lovende, fordi den
frigør fosfor i en form, der både er meget mere opløselig i vand end fosfat
og reagerer meget lettere med organiske (carbonbaserede) forbindelser. Givet at vi har i det mindste en
skitse af de potentielle stier, der fører til nukleobaserne, sukre og fosfat,
ville det næste logiske trin være, at forbinde disse komponenter rigtigt.
Dette trin er imidlertid det, der har forårsaget den mest intense frustration
i præbiotisk kemiforskning i de seneste årtier. Bare at blande de tre
komponenter i vand fører ikke til den spontane dannelse af en nukleotid –
mest fordi hver samlende rektion også involverer frigørelsen af et
vandmolekyle, hvilket ikke sker spontant ofte i en vandig opløsning. For at
de nødvendige kemiske bindinger skal dannes, skal der tilføres energi, ved,
f.eks., at tilføje energirige forbindelser der hjælper i reaktionen. Mange
sådanne forbindelser kan have eksisteret på den tidlige Jord. Imidlertid har
reaktioner drevet af sådanne molekyler i laboratoriet vist sig ikke at være
effektive og i de fleste tilfælde fuldstændig mislykkede.
I foråret 2009 offentliggjorde
John Sutherland og hans medarbejdere på University of Manchester så en spændende
opdagelse indenfor feltet: de havde fundet en meget mere plausibel måde
nukleotiderne kunne være dannet på, som også undgår spørgsmålet om riboses
ustabilitet. Disse kreative kemikere forlod traditionen med at forsøge at
lave nukleotider ved at sammenføje en nukleobase, sukker og fosfat. Deres
indfaldsvinkel hviler på de samme simple startmaterialer, der tidligere er
anvendt, som afledede af cyanid, acetylen og formaldehyd. Men i stedet for at
danne nukleobase og ribose adskilt og så prøve at sammenføje dem blandede
holdet startingredienserne sammen med fosfat. Et komplekst net af
vekselvirkninger – med fosfat virkende som en afgørende katalysator ved
adskillige trin på vejen – frembragte et lille molekylde kaldet
2-aminooxazol, der kan betragtes som et fragment af en sukker føjet til et
stykke af en nukleobase. En
afgørende egenskab ved dette lille, stabile molekyle er, at det er meget
flygtigt. Måske dannedes der små mængder 2-aminooxazol sammen med en blanding
af andre kemikalier i en dam på den tidlige Jord; når vandet fordampede,
fordampede 2-aminooxazolen, blot for at fortættes et andet sted i renset
form. Der ville den hobe sig op som en forsyning af materiale klar til
yderligere kemiske rektioner, der ville danne en hel sukker og nukleobase fastgjort
til hinanden. En
anden vigtig og tilfredsstillende side af denne kæde af rektioner er, at
nogle af de tidlige biprodukter letter omdannelser på senere trin af
processen. Selv om den er elegant, frembringer stien ikke udelukkende de
”korrekte” nukleotider: i nogle tilfælde er sukker og nukleobase ikke sat
sammen i det rigtige rumlige arrangement. Men forbavsende nok ødelægger
udsættelse for ultraviolet lys – intense UV stråler fra Solen rammer vandet
på den tidlige Jord – de ”ukorrekte” nukleotider og efterlader de ”korrekte.”
Slutresultatet er en bemærkelsesværdigt ren rute til C og U nukleotiderne. Fra
molekyler til organismer: På vej til liv
Vi behøver selvfølgelig en rute
til G og A, så der er stadig udfordringer. Men arbejdet, som Sutherlands
gruppe har udført, er et vigtigt skridt frem mod at forklare, hvordan et
molekyle så komplekst som RNA kunne være dannet på den tidlige Jord. Når vi først har nukleotider, er
det sidste trin i dannelsen af et RNA molekyle polymerisation: sukkeret fra
en nukleotid danner en kemisk binding med fosfaten fra den næste, så
nukleotiderne binder sig sammen til en kæde. Igen gælder det, at i vand
dannes bindingerne ikke spontant men kræver i stedet energi udefra. Ved at
tilføre en blanding af kemisk reaktive nukleotider forskellige kemikalier har
forskere kunnet producere korte RNA kæder, 2 til 40 nukleotider lange. I
slutningen af 1990'erne viste Jim Ferris og hans medarbejdere på Rensselaer
Polytechnic Institute, at lermineraler fremskyndede processen og producerede
kæder på op til 50 nukleotider. (Idag er et typisk gen tusinder til millioner
nukleotider langt.) Mineralernes indre evne til at binde nukleotider bringer
reaktive molekyler tæt sammen og letter derved dannelsen af bindinger mellem
dem.
Opdagelsen styrkede nogle
forskeres forslag, at livet kan være startet på mineraloverflader, måske i
mudder rigt på ler på bunden af damme med vand dannet af varme kilder [se
”Life's Rocky Start,” af Robert M. Hazen; Scientific American, April 2001]. Men
at finde ud af hvordan genetiske polymerer først opstod løser ikke i sig selv
problemet med livets oprindelse. For at være ”levende” skal organismer kunne
gå videre og mangfoldiggøre sig – en proces der indebærer kopiering af
genetisk information. I moderne celler udfører enzymer, der er proteinbaserede,
denne kopifunktion. Men
hvis genetiske polymerer er lavet af de rette rækkefølger af nukleotider, kan
de folde sig til komplekse former og katalysere kemiske reaktioner, ligesom
vore dages enzymer gør. Derfor forekommer det plausibelt, at RNA i de
allerførste organismer kunne have styret sin egen reproduktion. Denne ide har
inspireret adskillige eksperimenter, både i vort laboratorium og i David
Bartels laboratorium på Massachusetts Institute of Technology, i hvilke vi
”udviklede” nye ribozymer. Vi
startede med trillioner af tilfældige RNA sekvenser. Så udvalgte vi dem, der
havde katalytiske egenskaber og lavede kopier af dem. Ved hver omgang
kopiering gennemgik nogle af de nye RNA strenge mutationer, der gjorde dem
til mere effektive katalysatorer og igen udvalgte vi dem til den næste omgang
kopiering. Gennem denne styrede udvikling var vi i stand til at producere
ribozymer, der kan katalysere kopieringen af relativt korte strenge af andre
RNA, skønt de langt fra er i stand til at kopiere polymerer med deres egne
sekvenser til RNA afkom. Fornylig
fik princippet om RNA selvreproduktion et skub fremad fra Tracey Lincoln og
Gerald Joyce på Scripps Research Institute, som udviklede to RNA ribozymer,
der hver kunne lave kopier af det andet ved at sammenføje to kortere RNA
strenge. Uheldigvis krævede succes i eksperimenterne tilstedeværelsen af
forud eksisterende RNA stykker, der var alt for lange og komplekse til at
have samlet sig spontant. Alligevel antyder resultaterne, at RNA har den rå
katalytiske kraft til at katalysere sin egen reproduktion. Findes
der et enklere alternativ? Vi og andre undersøger nu kemiske måder at kopiere
genetiske molekyler på uden hjælp af katalysatorer. I nylige eksperimenter startede
vi med enlige, ”skabelon” strenge af DNA. (Vi brugte DNA fordi det er
billigere og lettere at arbejde med, men vi kunne ligeså godt have brugt
RNA.) Vi blandede skabelonerne i en opløsning, der indeholdt isolerede
nukleotider for at se, om nukleotiderne ville binde sig til skabelonen gennem
komplementær base pardannelse (A forbinder sig til T og C til G) og så
polymerisere og dannende en hel dobbelt streng. Dette ville være det første
trin mod hel reproduktion: når en dobbelt streng først var
dannet, ville adskillelse af strengene tillade den komplementære at virke som
skabelon til kopiering af den oprindelige streng. Med standard DNA eller RNA
er processen yderst langsom. Men små ændringer af sukkerkomponentens kemiske
struktur – ændring af et oxygen-hydrogen par til en amino gruppe (lavet af
nitrogen og hydrogen) – gjorde polymerisationen hundreder af gange hurtigere,
så der dannedes komplementære strenge i løbet af timer i stedet for uger. Den
nye polymer opførte sig meget som klassisk RNA, selv om den havde
nitrogen-fosfor bindinger i stedet for de normale oxygen-fosfor bindinger. Hvis vi et øjeblik antager, at
sprækkerne i vores forståelse af kemien i livets oprindelse en dag vil blive
fyldt, kan vi begynde at overveje, hvordan molekylerne kan have vekselvirket
for at samle sig til de første cellelignende strukturer, eller ”protoceller.” De
membraner, der indhyller alle moderne celler, består hovedsagelig af et
lipidlag: en dobbelt flade af olieagtige molekyler som fosforlipider og
kolesterol. Membraner holder en celles komponenter sammen fysisk og danner en
barriere mod den ukontrollerede passage af store molekyler. Forfinede
proteiner, indesluttede i membranen, virker som skildvagter og pumper
molekyler ind og ud af cellen, mens andre proteiner hjælper med konstruktion
og reparation af membranen. Hvordan i alverden kunne en uudviklet protocelle,
der manglede proteinmaskineriet, udføre disse opgaver? Primitive
membraner blev sandsynligvis lavet af simplere molekyler som fedtsyrer (der
er en komponent af de mere komplekse fosfolipider). Studier sidst i 1970'erne
viste, at membraner faktisk kunne samle sig spontant fra almindelige
fedtsyrer, men det var den almindelige opfattelse, at disse membraner
alligevel ville udgøre en formidabet barriere for nukleotiders og andre
komplekse næringsstoffers adgang til cellen. Denne opfattelse antydede, at
cellestofskifte skulle udvikles først, så cellerne selv kunne syntetisere
nukleotider. Arbejde i vort laboratorium har imidlertid vist, at molekyler på
størrelse med nukleotider faktisk nemt kan slippe gennem membranerne, så
længe både nukleotiderne og membranerne er simplere, mere ”primitive”
versioner af deres moderne modstykker. Dette
resultat lod os udføre et enkelt eksperiment, som var en model af en
protocelles evne til at kopiere sin genetiske information ved brug af
næringsstoffer tilført fra miljøet. Vi forberedte fedtsyrebaserede
membranvesikler, der indeholdt et kort stykke enstrenget DNA. Som før skulle
DNA virke som skabelon til en ny streng. Dernæst udsatte vi disse vesikler
for kemisk reaktive versioner af nukleotider. Nukleotiderne krydsede
membranen spontant og når de først var inde i model protocellen, rettede de
ind med DNA strengen og reagerede med hinanden for at fremstille en
komplementær streng. Eksperimentet støtter ideen, at de første protoceller
indeholdt RNA (eller noget lignende) og ikke meget andet og reproducerede
deres genetiske materiale uden enzymer. For at protocellerne kunne
begynde reproduktion ville de skulle kunne vokse, duplikere deres genetiske
indhold og dele sig til lignende ”datter” celler. Eksperimenter har vist, at
primitive vesikler kan vokse på mindst to distinkte måder. I et pionerarbejde
i 1990'erne tilførte Pier Luigi Luisi og hans kolleger på Swiss Federal
Institute of Technology i Zurich friske fedtsyrer til vandet, der omgav
sådanne vesikler. Membranerne reagerede ved at indarbejde fedtsyrerne og
voksede i overfladeareal. Efterhånden som vand og opløste substanser langsomt
kom ind i det indre, steg cellens rumfang også. En
anden indfaldsvinkel, som blev udforsket i vort laboratorium af studerende
Irene Chen, indebar konkurrence mellem protoceller. Model protoceller, fyldt
med RNA eller lignende materialer, svulmede op, en osmotisk virkning der var
resultatet af vands forsøg på at trænge ind i cellen og udligne dens
koncentration indenfor og udenfor. Membranen på sådanne opsvulmede vesikler
blev på den måde spændt ud og denne spænding drev vækst, fordi tilførsel af
nye molekyler mindsker spændingen på membranen og sænker systemets energi.
Faktisk voksede opsvulmede vesikler ved at stjæle fedtsyrer fra afslappede
nabovesikler, som skrumpede. Fra
RNA verdenen til bakterier: Rejse til den moderne celle
I 2009 harTing Zhu, studerende i
vort laboratorium, observeret væksten af model protoceller efter at have fodret
dem med friske fedtsyrer. Til vor store forbavselse voksede vesiklerne, der
til at begynde med var kuglerunde, ikke bare ved at blive større. I stedet
udstrakte de først en tynd tråd. I løbet af omkring en halv time voksede
denne fremstrukne tråd sig længere og tykkere og omdannede gradvist hele den
oprindelige vesikle til et langt, tyndt rør. Denne struktur var temmelig skør
og en blid rystelse (som kunne opstå, når vinden frembringer bølger på en
dam) fik den til at brække itu til et antal mindre, kugleformede datter
protoceller, som så voksede sig større og gentog cyklusen. Givet
de rette byggesten forekommer dannelsen af protoceller derfor ikke så
vanskelig: membraner samler sig selv, genetiske polymerer samler sig selv, og
de to komponenter kan bringes sammen på forskellige måder, hvis, f.eks.,
membranen dannes omkring forud eksisterende polymerer. Disse sække af vand og
RNA vil også vokse, absorbere nye molekyler, konkurrere om næringsstoffer og
dele sig. Men for at blive levende skulle de også reproducere og udvikle sig.
Især skal de adskille deres RNA dobbeltstrenge, så hver streng kan virke som
skabelon til en ny dobbeltstreng, der kan gives videre til en datter celle. Denne
proces ville ikke være startet af sig selv, men med lidt hjælp kunne den. Man
kunne, f.eks., forestille sig et vulkansk område på den ellers kolde
overflade på den tidlige Jord (på det tidspunkt skinnede Solen kun med 70% af
sin nuværende kraft). Der kunne være pytter med koldt vand, måske delvist
dækket af is, men holdt flydende af varme klipper. Temperaturforskellene
ville forårsage konvektionsstrømme, så protoceller i vandet ind imellem ville
blive udsat for udbrud af varme, når de passerede de varme klipper; men de
ville næsten øjeblikkeligt blive kølet ned igen, når det opvarmede vand
blandedes med den store mængde koldt vand. Den pludselige opvarmning ville få
en dobbeltspiral til at dele sig til to strenge. Når de kom tilbage i det
kolde område kunne nye dobbeltstrenge – kopier af den oprindelige – dannes,
når de enkelte strenge virkede som skabeloner. Så
snart miljøet fik puffet protocellerne igang med at reproducere, satte
evolutionen ind. Især muterede nogle af RNA sekvenserne på et tidspunkt og
blev til ribosomer, der øgede hastigheden på kopieringen af RNA – og på den
måde tilføjede en konkurrencemæssig fordel. Med tiden begyndte ribozymerne at
kopiere RNA uden ekstern hjælp. Det
er forholdsvis nemt at forestille sig, hvordan RNA baserede protoceller så
kunne udvikle sig. Stofskiftet kunne være opstået gradvist, efterhånden som
nye ribozymer satte cellerne i stand til at syntetisere næringsstoffer
internt ud fra enklere og mere udbredte startmaterialer. Dernæst kunne organismerne have føjet fremstilling af
proteiner til deres sæk med kemiske tricks. Med
deres forbavsende alsidighed ville proteinerne dernæst have overtaget RNAs
rolle med at assistere ved genetisk kopiering og stofskifte. Senere ville
organismerne have ”lært” at lave DNA og derved få fordelen ved at besidde en
mere robust bærer af genetisk information. På det tidspunkt blev RNA verdenen
til DNA verdenen og livet, som vi kender det, begyndte. Synthesizing Life. Jack Szostak, David P. Bartel og P. Luigi Luisi i Nature,
Vol. 409, siderne 387-390; Januar 2001. Genesis: The Scientific Quest for Life's Origins. Robert M. Hazen.
Joseph Henry, 2005. The RNA World. Redigeret af Raymond F. Gesteland, Thomas R. Cech og
John F. Atkins. Tredje udgave. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2006. A Simpler Origin for Life. Robert Shapiro i Scientific
American, Vol. 296, No. 6, siderne 24-31; Juni 2007. A New Molecule of Life? Peter Nielsen i Scientific American, Vol.
299, No. 6, siderne 36-43; December 2008. Exploring Life's Origins. Multimedia project at the Museum
of Science. http://exploringorigins.org
* Alonso Ricardo, som blev født i Cali, Colombia, er
forsker tilknyttet Howard Hughes Medical Institute på Harvard University. Han
har en langvarig interesse for livets oprindelse og studerer nu
selvreproducerende kemiske systemer. Jack W. Szostak er professor i genetik
på Harvard Medical School og Massachusetts General Hospital. Hans interesse
for laboratoriekonstruktionen af biologiske strukturer som middel til at
afprøve vor forståelse af, hvordan biologi virker, stammer tilbage fra de
kunstige kromosomer han beskrev i november 1987 Scientific American. Fra Life On Earth, Scientific American, September 2009, siderne
38-45. http://da.wikipedia.org/wiki/Ribozym
20. Januar 2010. |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
