DNA zawiera kod genetyczny, ale co go czyta? Autor „Gene Machine” wyjaśnia

Ponieważ rdzeń jako DNA jest dla nas, słynna podwójna helisa jest podstawą badań biologii na całym świecie. Ale te podstawowe cząsteczki nie mogą działać samodzielnie. DNA przechowuje kod źródłowy i dane do budowy naszych ciał, a jego odkrycie otworzyło drzwi do niezliczonych nowych wątków badań, w tym pytania: „Jaka maszyna odczytuje nasz kod?”

Zdobywca nagrody Nobla, biolog Venki Ramakrishnan, odkrywa drogę, w której można znaleźć odpowiedź Gene Machine: The Race do rozszyfrowania tajemnic rybosomu. Przedstawia swoją ambitną podróż w obliczu niepewności, wyjaśniając nie tylko naukę z jasną jasnością, ale także przedstawia perspektywę złożonej polityki otaczającej pogoń za wiedzą z pokorą.

Poniżej znajduje się fragment z Maszyna genowa, opublikowane w tym tygodniu przez Basic Books.

Wyłania się z Pierwotnej Mgły

Jak zaczęło się życie, jest jedną z największych tajemnic biologii. Całe życie wymaga jakiejś formy energii w odpowiednim środowisku chemicznym. Niektórzy zwracają uwagę, że wiele chemii wykorzystywanych w życiu przypomina chemię występującą na krawędziach otworów geotermalnych w oceanie. Nawet jeśli jest to tylko zbieg okoliczności, jak twierdzili inni, warto zastanowić się, jakie warunki umożliwiły powstanie życia. Ale zasadniczo życie jest czymś więcej niż zbiorem reakcji chemicznych; jest to zdolność do przechowywania i odtwarzania informacji genetycznej w sposób, który pozwala na tworzenie złożonych form życia z bardzo prymitywnych. Zgodnie z tym kryterium nie ma wątpliwości, że nawet wirusy są żywe, mimo że ludzie zwykli je kwestionować, ponieważ potrzebują komórki gospodarza do reprodukcji. Jednak każdy, kto zachorował na wirusa i doświadczył swojego ciała walczącego z infekcją, nie wątpiłby, że wirusy są żywe.

Problem polegał na tym, że w prawie wszystkich formach życia DNA zawierało informację genetyczną, ale samo DNA było obojętne i wytwarzane przez dużą liczbę enzymów białkowych, które wymagały nie tylko RNA, ale także rybosomu, aby wytworzyć te enzymy. Ponadto cukier w DNA, dezoksyryboza, został wytworzony z rybozy przez duże skomplikowane białko. Nikt nie mógł zrozumieć, jak mógł się zacząć cały system. Naukowcy, którzy myśleli o tym, jak zaczęło się życie, jak Crick, Leslie Orgel z Salk Institute w La Jolla i Carl Woese z University of Illinois, zasugerowali, że może życie zaczęło się od RNA. W tamtym czasie była to czysta spekulacja - prawie science fiction - ponieważ RNA nie było znane z tego, że jest zdolne do przeprowadzania reakcji chemicznych.

Odkrycie Cecha i Altmana zmieniło to wszystko. RNA był teraz cząsteczką, która może przenosić informacje jako sekwencję zasad, podobnie jak DNA, a także może przeprowadzać reakcje chemiczne, takie jak białka. Teraz wiemy, że cegiełki RNA mogą być zbudowane z prostych związków chemicznych, które mogły istnieć na Ziemi miliardy lat temu. Można więc sobie wyobrazić, jak mogło zacząć się życie z wieloma losowo wytworzonymi cząsteczkami RNA, dopóki niektóre z nich nie mogłyby się rozmnażać. Gdy to się stanie, ewolucja i dobór naturalny mogą pozwolić na tworzenie coraz bardziej skomplikowanych cząsteczek, w końcu nawet czegoś tak skomplikowanego jak pierwotny rybosom. Idea pierwotnego świata RNA, po raz pierwszy wymyślona przez Wally'ego Gilberta, stała się powszechnie akceptowana.

Rybosom mógł zacząć się w świecie zdominowanym przez RNA, ale ponieważ wytwarzał białka, stał się koniem trojańskim. Białka okazały się znacznie lepsze w wykonywaniu większości rodzajów reakcji niż RNA, ponieważ ich aminokwasy są zdolne do bardziej zróżnicowanej chemii niż prostsza cząsteczka RNA. Oznaczało to, że wraz z tworzeniem białek stopniowo ewoluowały, aby przejąć większość funkcji cząsteczek RNA w tym czasie i wiele więcej. Czyniąc to, zmienili życie, jakie znamy. Może to również wyjaśniać, dlaczego chociaż rybosom ma dużo RNA, enzymy, które replikują DNA lub kopiują go do RNA, są teraz w całości wykonane z białek. Prawdopodobnie dlatego, że użycie DNA do przechowywania genów nastąpiło później; do tego czasu białka stały się powszechne i przeprowadzały większość reakcji w komórce.

Oczywiście nie wyjaśnia to, w jaki sposób powstały geny niosące kod do wytwarzania białek. Najlepiej zgadnąć, że wczesna forma rybosomów właśnie stworzyła krótkie odcinki losowych peptydów, co pomogło ulepszyć enzymy RNA, które były wtedy w pobliżu. Ale stamtąd, jak powstały geny, które niosły instrukcje, aby wytwarzać białka, które zawierają aminokwasy splecione w bardzo specyficzny sposób, stanowiły duży skok i nadal są jedną z wielkich tajemnic życia. A to z kolei oznaczałoby, że oprócz dużej podjednostki, musiałoby powstać wiele innych elementów: mRNA do przenoszenia kodu genetycznego, tRNA do wprowadzenia aminokwasów i mała podjednostka zapewniająca platformę dla mRNA i tRNA do wiązania. Ale przed odkryciem katalizy RNA ludzie nie mogli zobaczyć, jak system mógłby się zacząć nawet w zasadzie.

Fragment z Gene Machine: The Race, aby rozszyfrować tajemnice rybosomu przez Venki Ramakrishnana. Copyright © 2018. Opublikowane przez Basic Books