Od RNA do DNA

Wkręgu kultury zachodniej do niedawna powszechnie wyznawano teorię, że człowiek powstał z prochu, czy raczej z gliny, ulepiony przez Stwórcę. Arystoteles uważał, że życie powstaje wskutek samorództwa - węgorze i żaby z mułu rzek, gąsienice z gnijących szczątków roślinnych, a wszelkie inne robactwo z brudu, czyli z nieco mniej szlachetnych surowców i bez udziału sił wyższych. Ten pogląd był akceptowany przez stulecia i na dobre podważył go dopiero w XIX w. Ludwik Pasteur.

Uczonym takie odpowiedzi zaczęły się wydawać zbyt ogólnikowe. Może powstaliśmy z prochu, ale warto dociec, jaki dokładnie był chemiczny mechanizm tego procesu? Sam Karol Darwin w jednym ze swych listów sugerował, że życie na Ziemi zrodziło się "w jakimś małym ciepłym stawie, obfitym we wszelkie substancje, takie jak amoniak czy sole fosforowe, w obecności światła, ciepła, wyładowań elektrycznych etc., tak, że chemicznie stworzony został związek białkowy gotów do bardziej złożonych przemian".

Choć naukowe teorie biogenezy interesują biologów (a także licznych laików), nie przypadkiem nowoczesne koncepcje na ten temat powstały w krainie materializmu dialektycznego. Ich autorem był rosyjski uczony Aleksander Oparin, który w 1923 r. ogłosił swą teorię koacerwatów, w myśl której pierwsze zdolne do samopowielania kropelki białkowe powstały w pierwotnym oceanie. Była to hipoteza wciąż bardzo ogólnikowa, choć zasługą Oparina było realistyczne założenie, iż atmosfera ziemska nie zawierała w tym czasie tlenu, który doprowadziłby szybko do rozpadu samorzutnie powstałych związków organicznych. Kilka lat później rozwinął ją wybitny brytyjski genetyk John Haldane (także marksista) i od tego czasu stała się ona obowiązującą hipotezą dotyczącą pochodzenia życia. Problem, przed jakim stali badacze, był taki, że właściwie nie bardzo było wiadomo, co to jest życie i tej ważkiej kwestii warto poświęcić nieco uwagi.

W języku angielskim wyrażenie What is life? jest pytaniem retorycznym, co sugeruje, że próby zdefiniowania życia są stratą czasu. Znane powiedzenie Engelsa, że życie to forma istnienia białka, jest naukowo anachroniczne (formą istnienia białka jest także kotlet schabowy), nie ma więc większej wartości. Naukowcy posługują się dziś definicjami opisowymi wyliczającymi wszelkie cechy, jakie musi mieć coś, aby zasłużyć na miano żywego. Poczesne miejsce wśród tych cech zajmuje przemiana materii, czyli zdolność pobierania energii z otoczenia, a także zdolność reprodukcji. Niektórzy biolodzy uważają, że istotę życia stanowi zdolność do ewolucji. Inni dzielą definicje na fizjologiczną, metaboliczną, biochemiczną, genetyczną i termodynamiczną; nie będziemy się jednak wdawać w szczegóły.

Najwłaściwszym punktem wyjścia naszych rozważań może być tzw. centralny dogmat biologii molekularnej sformułowany w 1958 r. przez noblistę Francisa Cricka, głoszący, że w zachodzących w świecie ożywionym procesach informacja przepływa jednokierunkowo - od makrocząsteczek DNA stanowiących bibliotekę informacji genetycznej , poprzez pokrewne im cząsteczki RNA pośredniczące w procesach syntezy - do końcowego owej syntezy produktu, jakim jest białko (enzymy), pełniące w żywym organizmie najrozmaitsze strukturalne lub funkcjonalne zadania. Jest to jednak dogmat, który niedawne odkrycia poważnie podważyły. Ale ponieważ białkowa natura życia była dla uczonych pierwszą oczywistą cechą, wczesne teorie i badania na białku właśnie się koncentrowały. Była to w pewnej mierze poznawcza ślepa uliczka, ponieważ białko nie jest źródłem życia, ale jedynie jego narzędziem i produktem.

Ze względu na tę słabość badaczy do białka, wczesne eksperymentalne próby tchnięcia życia w martwą materię polegały na odtworzeniu hipotetycznej mieszaniny nieorganicznych substancji wyjściowych, jakie istnieć mogły w pierwotnym oceanie, a następnie skłonienie ich - przez pobudzenie bodźcami - do połączenia się w proste związki organiczne, aminokwasy, które są cegiełkami białek. W 1952 r. Stanley Miller, młody doktorant z uniwersytetu w Chicago, pomieszał z wodą metan, tlenek węgla, wodór i amoniak, a następnie poddał tę miksturę działaniu wyładowań elektrycznych imitujących pioruny. Po tygodniu takich eksperymentów jego kondensat zawierał 22 aminokwasy, a także proste cukry, lipidy i kilka innych substancji organicznych. Pierwszy krok do ożywienia materii został dokonany.

Eksperyment Stanleya dowiódł, że w wodach praoceanu mogły być wyjściowe produkty organiczne potrzebne do stworzenia żywego organizmu,_ co naturze zabrało ok. 200 mln lat. W porównaniu z wiekiem Ziemi, szacowanym na 4,5 mld lat, jest to niewiele. Teraz wystarczyło pokazać, jak te proste cząsteczki (aminokwasy) połączyły się we właściwej kolejności w długie łańcuchy peptydowe (zawierające od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy takich elementów). Tu już szczęście przestało uczonym sprzyjać i choć Sidney Fox wykazał w latach 60., że aminokwasy mogą spontanicznie łączyć się w krótkie łańcuchy, w ciągu następnych 50 lat nie dokonano pod tym względem większego postępu .

W prawdziwym życiu reakcje syntezy białek są kontrolowane przez sekwencję nukleotydów w łańcuchach DNA i RNA i są to reakcje enzymatyczne, co oznacza, że byłoby je trudno przeprowadzić poza żywym organizmem, nie mając do dyspozycji całego zestawu enzymów, czyli biologicznych katalizatorów. Uwaga badaczy przeniosła się więc z białek na kwasy nukleinowe. Z ich dwu odmian, DNA - który miał lepszą prasę od czasu, gdy James Watson i Francis Crick rozszyfrowali w 1953 r. jego strukturę jako podwójną spiralę (helisę), w której dwa komplementarne łańcuchy nukleotydów tworzą trwałą makrocząsteczkę przechowującą dziedziczną informację - budził początkowo większe zainteresowanie badaczy i laików, niż jego kuzyn RNA. W końcu, zgodnie z "centralnym dogmatem biologii molekularnej", od niego zaczyna się proces zwany życiem. RNA, który chemicznie jest bardzo podobny do DNA, jest od niego znacznie mniej trwały - w żywych komórkach występuje zwykle w formie pojedynczego łańcucha nukleotydów, często znacznie krótszych od jądrowego DNA i przyjmujących niekiedy skomplikowane kształty mikroskopijnych pętelek.

Wnet jednak genetycy zdali sobie sprawę, że podczas gdy DNA spełnia stosunkowo bierną funkcję kartoteki genetycznych informacji, to właśnie RNA wykonuje w żywej komórce lwią część biosyntetycznej roboty. Jedna jego forma, zwana posłańcem (messenger lub mRNA), kopiuje informacje z DNA i przenosi ją do rybosomów, gdzie odbywa się synteza białek, inna forma (tzw. transferowe RNA, tRNA) dostarcza z kolei do rybosomów pojedyncze aminokwasy, z których budowana jest cząsteczka białka. Inne dodatkowe formy RNA pełnią jeszcze wiele wyspecjalizowanych funkcji, po czym ulegają rozpadowi. Jednak jedną z najbardziej intrygujących chemicznych właściwości cząsteczek RNA było to, że mogą one same pełnić rolę enzymów, zwykle zastrzeżoną dla białek. W szczególności zdolne są one do autokatalizy, czyli do samorzutnego powielania. Odkrycie to, a także fakt, że liczna grupa wirusów (m.in. wirus HIV) swą genetyczną informację przechowuje w łańcuchach RNA, a nie DNA, sprawiło, że wśród wielu teorii dotyczących pochodzenia życia na Ziemi jedną z najbardziej popularnych w ostatnich latach stała się hipoteza świata RNA, głosząca, że najwcześniejsze żywe organizmy zrodziły się na bazie RNA.

Terminu "świat RNA" pierwszy użył w 1986 r. noblista Walter Gilbert z Harvard University, choć z podobną ideą wystąpił już w 1968 r. Carl Woese z University of Illinois w Champaign-Urbana. Mijały lata i hipoteza ciągle miała zasadniczą słabość. Wiadomo było, że RNA może się samorzutnie utworzyć z istniejących nukleotydów (z których każdy zbudowany jest z trzech fragmentów - specyficznego cukru, grupy fosforanowej i jednej z czterech zasad azotowych), lecz naukowcom nie udawało się dowieść, że w naturalnych, prebiotycznych warunkach możliwa była synteza owych nukleotydów. Ich trzy fragmenty nie chciały się bez przymusu ze sobą łączyć. Aby wykazać, że taka synteza jest możliwa, potrzeba było cierpliwości i uporu, jaką wykazał przez ostatnie

20 lat John Sutherland i jego zespół z University of Manchester. Sztuka ta wreszcie im się udała i swój sukces opisali w internetowym wydaniu "Nature". Istota odkrycia Sutherlanda była stosunkowo prosta - cukier, grupa fosforowa i zasada azotowa rzeczywiście nie lubią się ze sobą spontanicznie łączyć; może się to jednak udać za pomocą światła Od RNA do DNA

Skąd wzięło się życie na Ziemi? Jak powstaliśmy? Te pytania ludzie zadają sobie od niepamiętnych czasów. Uczeni są coraz bliżej wyjaśnienia tej frapującej zagadki.

Odkrycia, które potwierdzają hipotezę świata RNA, podważają uniwersalną słuszność "centralnego dogmatu biologii molekularnej", dotyczącego przepływu informacji biologicznej. Jeśli najwcześniejsze formy życia posługiwały się RNA, to na pewnym etapie ewolucji, gdy natura odkryła zalety DNA jako genetycznego archiwum, informacje genetyczne musiały jakoś popłynąć w przeciwnym kierunku - od RNA do DNA. Być może odbyło się to jednak tylko raz i od tego czasu dogmat pozostaje w mocy.

***

Najnowszy numer ''Polityki'' - spis treści

Zamów e-wydanie ''Polityki''

----------------------------

poleca:

Na jednego złego Po zbadaniu poprawczaków NIK ustaliła, że dużo kosztują, ale nie potrafią naprawiać złych młodych. Do przestępstwa wraca 58 proc. wychowanków. Według kontrolerów to porażka, ale według praktyków niezły wynik.

TVP: zabrać i oddać Kongres Kultury w Krakowie miał wyglądać jak zawsze. Pogadać, ponarzekać i wydać akt strzelisty. Stało się inaczej - pisze Jacek Żakowski.

Polański vs. Ameryka Upór, z jakim amerykański wymiar sprawiedliwości tropi Romana Polańskiego z kontynentalnego punktu widzenia może wydawać się niezrozumiały.

Prezydent poprawi Palikota Prezydent chce ostrzejszych kontroli w firmach. W imię bezpieczeństwa pracowników. W tle jest jednak konflikt przedsiębiorców z kontrolującymi je inspekcjami.

Złapał Kozak Tatarzyna Pani Szczepkowska mogłaby ogłosić w telewizji: ''1 października 2009 roku rozpoczęła się kampania przed wyborami prezydenta.'' Dwaj główni rywale - Kaczyński i Tusk - kręcili na siebie bicz i dzisiaj oddali pierwsze strzały z bicza - pisze na swoim blogu Daniel Passent.