- Bahagian pertama: Bagaimana membuat sel -
- Bahagian kedua: Perpecahan dalam barisan saintis -
- Bahagian keempat: tenaga proton -
- Bahagian lima: jadi bagaimana anda membuat sel? -
- Bahagian Enam: Penyatuan yang Hebat -
Oleh itu, selepas tahun 1960-an, para saintis yang berusaha memahami asal usul kehidupan terbahagi kepada tiga kumpulan. Sebilangan daripada mereka yakin bahawa kehidupan bermula dengan pembentukan sel biologi versi primitif. Yang lain percaya sistem metabolik adalah langkah pertama yang penting, sementara yang lain memfokuskan pada kepentingan genetik dan replikasi. Kumpulan terakhir ini mula mengetahui seperti apa replika pertama, dengan andaian ia dibuat dari RNA.
Sudah pada tahun 1960-an, para saintis mempunyai alasan untuk mempercayai bahawa RNA adalah sumber kehidupan.
Khususnya, RNA dapat melakukan sesuatu yang tidak dapat dilakukan oleh DNA. Ini adalah molekul untai tunggal, jadi tidak seperti DNA kaku dan untai ganda, ia dapat melipat dirinya menjadi beberapa bentuk yang berbeza.
Mirip dengan origami, RNA lipat umumnya serupa dengan tingkah laku protein. Protein juga kebanyakannya rantai panjang - hanya asid amino, bukan nukleotida - dan ini membolehkan mereka membuat struktur yang kompleks.
Ini adalah kunci keupayaan protein yang paling menakjubkan. Sebahagian daripadanya dapat mempercepat, atau "mengkatalisis" reaksi kimia. Protein sedemikian dikenali sebagai enzim.
Banyak enzim dapat dijumpai di usus anda, di mana ia memecah molekul kompleks dari makanan menjadi jenis gula sederhana yang dapat digunakan sel anda. Tidak mungkin hidup tanpa enzim.
Leslie Orgel dan Frances Crick mula mengesyaki sesuatu. Sekiranya RNA dapat melipat seperti protein, mungkin ia dapat membentuk enzim? Sekiranya ini benar, maka RNA boleh menjadi molekul hidup asli dan sejagat, menyimpan maklumat, seperti yang dilakukan DNA sekarang, dan menjadi pemangkin reaksi, seperti yang dilakukan oleh beberapa protein.
Itu idea yang bagus, tetapi dalam sepuluh tahun ia tidak mendapat bukti.
Video promosi:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech dilahirkan dan dibesarkan di Iowa. Sebagai seorang kanak-kanak, dia terpesona dengan batu dan mineral. Dan sudah di sekolah menengah pertama, dia melihat ke universiti tempatan dan mengetuk pintu ahli geologi dengan permintaan untuk menunjukkan model struktur mineral.
Namun, dia akhirnya menjadi ahli biokimia dan fokus pada RNA.
Pada awal 1980-an, Cech dan rakan-rakannya di University of Colorado di Boulder mempelajari organisma sel tunggal Tetrahymena thermophila. Sebahagian daripada mesin selularnya merangkumi helai RNA. Cech mendapati bahawa segmen RNA entah bagaimana terpisah dari yang lain, seolah-olah telah dipotong dengan gunting.
Ketika para saintis membuang semua enzim dan molekul lain yang dapat bertindak sebagai gunting molekul, RNA terus dirembeskan. Oleh itu, mereka menemui enzim RNA pertama: sekeping pendek RNA yang dapat memotong dirinya dari helai panjang yang merupakan bahagiannya.
Cech menerbitkan hasil karyanya pada tahun 1982. Pada tahun berikutnya, sekumpulan saintis lain menemui enzim RNA kedua, "ribozyme" (kependekan dari "asid ribonukleat" dan "enzim", aka enzim). Penemuan dua enzim RNA satu demi satu menunjukkan bahawa mesti ada lebih banyak lagi. Oleh itu, idea untuk memulakan hidup dengan RNA mula kelihatan kukuh.
Walau bagaimanapun, nama idea ini diberikan oleh Walter Gilbert dari Universiti Harvard di Cambridge, Massachusetts. Sebagai ahli fizik yang berminat dengan biologi molekul, Gilbert juga menjadi salah satu penyokong awal penjujukan genom manusia.
Pada tahun 1986, Gilbert menulis di Nature bahawa kehidupan bermula di "dunia RNA."
Tahap evolusi pertama, Gilbert berpendapat, terdiri dari "molekul RNA yang melakukan aktiviti pemangkin yang diperlukan untuk menyatukan diri menjadi kaldu nukleotida." Dengan menyalin dan menampal bit RNA yang berlainan, molekul RNA dapat membuat urutan yang lebih berguna. Akhirnya, mereka menemui cara untuk membuat protein dan enzim protein yang terbukti sangat berguna sehingga sebahagian besarnya menggantikan versi RNA dan menimbulkan kehidupan yang kita miliki.
RNA World adalah kaedah elegan untuk membina semula kehidupan yang kompleks dari awal. Daripada bergantung pada pembentukan serentak puluhan molekul biologi dari sup primordial, molekul "satu untuk semua" dapat melakukan pekerjaan itu.
Pada tahun 2000, hipotesis dunia RNA menerima sebahagian besar bukti sokongan.
Ribosom membuat protein
Thomas Steitz menghabiskan 30 tahun untuk mengkaji struktur molekul dalam sel hidup. Pada tahun 1990-an, dia mengabdikan diri untuk tugasnya yang paling serius: mencari tahu struktur ribosom.
Terdapat ribosom di setiap sel hidup. Molekul besar ini membaca arahan dalam RNA dan menyusun asid amino untuk membuat protein. Ribosom di sel anda telah membina sebahagian besar badan anda.
Ribosom diketahui mengandungi RNA. Tetapi pada tahun 2000, pasukan Steitz menghasilkan gambaran terperinci mengenai struktur ribosom, yang menunjukkan bahawa RNA adalah teras pemangkin ribosom.
Ini penting kerana ribosom pada dasarnya penting untuk hidup dan sangat kuno pada masa yang sama. Fakta bahawa mesin penting ini dibina berdasarkan RNA menjadikan hipotesis dunia RNA lebih masuk akal.
Penyokong "dunia RNA" menang, dan pada tahun 2009 Steitz menerima bahagian dari Hadiah Nobel. Tetapi sejak itu, para saintis mula ragu. Sejak awal, idea mengenai "dunia RNA" mempunyai dua masalah. Mungkinkah RNA benar-benar melaksanakan semua fungsi kehidupan dengan sendirinya? Mungkinkah ia terbentuk di Bumi awal?
Sudah 30 tahun sejak Gilbert meletakkan landasan untuk "dunia RNA," dan kita masih belum menemui bukti kukuh bahawa RNA dapat melakukan semua yang diperlukan oleh teori. Ini adalah molekul kecil yang mahir, tetapi mungkin tidak dapat melakukan semuanya.
Satu perkara jelas. Sekiranya hidup dimulakan dengan molekul RNA, RNA harus dapat membuat salinannya sendiri: ia harus meniru diri, meniru diri sendiri.
Tetapi tidak ada RNA yang diketahui dapat meniru dirinya sendiri. Begitu juga DNA. Mereka memerlukan batalion enzim dan molekul lain untuk membuat salinan atau sekeping RNA atau DNA.
Oleh itu, pada akhir 1980-an, beberapa saintis memulakan pencarian yang sangat quixotic. Mereka memutuskan untuk membuat RNA yang meniru sendiri.
Jack Shostak
Jack Shostak dari Harvard School of Medicine adalah salah satu yang pertama mengambil bahagian. Semasa kecil, dia begitu terpesona dengan kimia sehingga dia memulakan makmal di ruang bawah tanah rumahnya. Mengabaikan keselamatannya sendiri, dia bahkan pernah meletupkan letupan, selepas itu tiub kaca tersekat di siling.
Pada awal 1980-an, Shostak membantu menunjukkan bagaimana gen melindungi diri dari proses penuaan. Kajian yang agak awal ini akhirnya memperolehnya hadiah Nobel. Namun, tidak lama kemudian dia mengagumi enzim RNA Cech. "Saya fikir pekerjaan ini sangat mengagumkan," katanya. "Pada prinsipnya, sangat mungkin RNA mengkatalisis pembiakannya sendiri."
Pada tahun 1988, Cech menemui enzim RNA yang dapat membina molekul RNA pendek 10 nukleotida. Shostak memutuskan untuk memperbaiki penemuan dengan menghasilkan enzim RNA baru di makmal. Pasukannya membuat sekumpulan urutan rawak dan diuji untuk melihat apakah ada yang mempunyai kemampuan pemangkin. Kemudian mereka mengambil urutan tersebut, mengolahnya semula, dan mengujinya semula.
Setelah 10 pusingan tindakan tersebut, Shostak menghasilkan enzim RNA yang mempercepat tindak balas sebanyak tujuh juta kali. Dia menunjukkan bahawa enzim RNA sangat kuat. Tetapi enzim mereka tidak dapat menyalin dirinya sendiri, bahkan sedikit pun. Shostak menemui jalan buntu.
Mungkin hidup tidak bermula dengan RNA
Langkah besar seterusnya diambil pada tahun 2001 oleh bekas pelajar Shostak David Bartel dari Institut Teknologi Massachusetts di Cambridge. Bartel membuat enzim R18 RNA yang dapat menambahkan nukleotida baru ke helai RNA berdasarkan templat yang ada. Dengan kata lain, dia tidak menambahkan nukleotida rawak: dia menyalin urutan dengan betul.
Walaupun ia bukan peniru diri, tetapi sudah serupa. R18 terdiri daripada rantai 189 nukleotida dan boleh dipercayai menambahkan 11 nukleotida ke rantai: 6% panjangnya sendiri. Diharapkan beberapa perubahan membolehkannya membina rantai nukleotida 189 - sama seperti dirinya.
Perkara terbaik dilakukan oleh Philip Holliger pada tahun 2011 dari Makmal Biologi Molekul di Cambridge. Pasukannya mencipta R18 yang diubah suai disebut tC19Z yang menyalin urutan hingga 95 nukleotida panjangnya. Panjangnya 48%: lebih banyak daripada R18, tetapi jauh dari 100%.
Pendekatan alternatif dicadangkan oleh Gerald Joyce dan Tracy Lincoln dari Scripps Institute di La Jolla, California. Pada tahun 2009, mereka mencipta enzim RNA yang meniru secara tidak langsung. Enzim mereka menggabungkan dua keping RNA untuk membuat enzim kedua. Ia kemudian menggabungkan dua keping RNA yang lain untuk mencipta semula enzim yang asli.
Memandangkan ketersediaan bahan mentah, kitaran sederhana ini dapat diteruskan selama-lamanya. Tetapi enzim hanya berfungsi apabila diberi helai RNA yang betul, yang harus dilakukan oleh Joyce dan Lincoln.
Bagi banyak saintis yang ragu-ragu dengan "dunia RNA", kekurangan RNA yang meniru diri sendiri adalah masalah yang membawa maut dengan hipotesis ini. RNA, nampaknya, tidak dapat mengambil dan memulakan hidup.
Masalahnya juga bertambah disebabkan oleh kegagalan ahli kimia untuk mencipta RNA dari awal. Nampaknya molekul sederhana dibandingkan dengan DNA, tetapi sangat sukar untuk membuatnya.
Masalahnya terletak pada gula dan basa yang membentuk setiap nukleotida. Anda boleh melakukan masing-masing secara berasingan, tetapi mereka dengan nekad menolak untuk terlibat. Pada awal tahun 1990-an, masalah ini telah menjadi jelas. Banyak ahli biologi telah mengesyaki bahawa hipotesis "dunia RNA", walaupun semua daya tarikannya, mungkin tidak sepenuhnya betul.
Sebaliknya, mungkin ada beberapa jenis molekul lain di Bumi awal: sesuatu yang lebih sederhana daripada RNA, yang sebenarnya dapat mengambil dirinya dari sup primordial dan mula menghasilkan semula. Pertama mungkin molekul ini, yang kemudian membawa kepada RNA, DNA dan sebagainya.
DNA hampir tidak dapat terbentuk di Bumi awal
Pada tahun 1991, Peter Nielsen dari University of Copenhagen di Denmark muncul dengan calon replikasi utama.
Ini pada dasarnya adalah versi DNA yang sangat banyak diubah. Nielsen menyimpan asas yang sama - A, T, C, dan G - yang terdapat dalam DNA - tetapi membuat tulang belakang dari molekul yang disebut poliamida, bukan dari gula, yang juga terdapat dalam DNA. Dia menamakan asid nukleik poliamida molekul baru, atau PNA. Dengan cara yang tidak dapat difahami, sejak itu ia dikenali sebagai asid nukleik peptida.
PNA tidak pernah dijumpai di alam semula jadi. Tetapi ia berkelakuan seperti DNA. Helai PNA bahkan dapat menggantikan salah satu helai molekul DNA, dan basa dipasangkan seperti biasa. Lebih-lebih lagi, PNA boleh berubah menjadi heliks berganda, seperti DNA.
Stanley Miller tertarik. Dengan sangat skeptis terhadap dunia RNA, dia menduga PNA adalah calon yang lebih mungkin untuk bahan genetik pertama.
Pada tahun 2000, dia mengemukakan beberapa bukti kukuh. Pada saat itu, dia sudah berusia 70 tahun dan telah mengalami beberapa pukulan yang dapat membawanya ke panti jompo, tetapi dia tidak menyerah. Dia mengulangi eksperimen klasiknya, yang kita bincangkan pada bab pertama, kali ini menggunakan metana, nitrogen, amonia dan air - dan mendapat PNA poliamida.
Ini menunjukkan bahawa PNA, tidak seperti RNA, dapat terbentuk di Bumi awal.
Molekul asid nukleik Threose
Ahli kimia lain telah menghasilkan asid nukleik alternatif mereka sendiri.
Pada tahun 2000, Albert Eschenmoser membuat asid nukleik threose (TNK). Ini DNA yang sama, tetapi dengan gula yang berbeza di pangkalnya. Rantai TNC dapat membentuk heliks berganda, dan maklumat disalin dalam kedua arah antara RNA dan TNK.
Lebih-lebih lagi, TNC dapat melipat menjadi bentuk yang kompleks dan bahkan mengikat protein. Ini menunjukkan bahawa TNK dapat bertindak sebagai enzim, seperti RNA.
Pada tahun 2005, Eric Megges membuat asid nukleik glikolik yang dapat membentuk struktur heliks.
Setiap asid nukleik alternatif ini mempunyai penyokongnya sendiri. Tetapi tidak ada jejak yang dapat ditemukan di alam, jadi jika kehidupan pertama benar-benar menggunakannya, pada suatu ketika ia harus meninggalkannya sepenuhnya demi RNA dan DNA. Ini mungkin benar, tetapi tidak ada bukti.
Akibatnya, pada pertengahan tahun 2000-an, penyokong dunia RNA mendapati diri mereka berada dalam kebingungan.
Di satu pihak, enzim RNA wujud dan merangkumi salah satu bahagian terpenting dalam kejuruteraan biologi, ribosom. Baik.
Tetapi RNA replikasi diri tidak dijumpai dan tidak ada yang dapat memahami bagaimana RNA terbentuk dalam sup primordial. Asid nukleik alternatif dapat menyelesaikan masalah yang terakhir, tetapi tidak ada bukti bahawa mereka wujud secara semula jadi. Tidak sangat baik.
Kesimpulan yang jelas adalah bahawa "dunia RNA", walaupun menarik, ternyata hanya mitos.
Sementara itu, teori yang berbeza secara beransur-ansur mendapat momentum sejak tahun 1980-an. Penyokongnya berpendapat bahawa kehidupan tidak bermula dengan RNA, DNA, atau bahan genetik lain. Sebaliknya, ia bermula dengan mekanisme untuk memanfaatkan tenaga.
Hidup memerlukan tenaga untuk terus hidup
ILYA KHEL
- Bahagian pertama: Bagaimana membuat sel -
- Bahagian kedua: Perpecahan dalam barisan saintis -
- Bahagian keempat: tenaga proton -
- Bahagian lima: jadi bagaimana anda membuat sel? -
- Bahagian Enam: Penyatuan yang Hebat -
