Znajdź zawartość

To z pewnością jedno z najbardziej sensacyjnych odkryć ostatniego czasu. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Monachium nie tylko teoretycznie, ale praktycznie pokazał, w jaki sposób DNA może replikować się bez udziału żywych organizmów. Obok zagadki powstania metabolizmu, o której rozwiązaniu niedawno pisaliśmy, zagadka: co było pierwsze, DNA, czy życie stanowiła jedną z największych tajemnic powstania życia. Żaden organizm nie może się powielać bez DNA, a DNA może powielać się tylko w żywych organizmach. Przynajmniej do tej pory tak sądzono. Praca i eksperymenty, jakie przeprowadzili Christof Mast i Dieter Braun z Uniwersytetu im. Ludwiga Maximiliana w Monachium pokazały, że DNA może powielać się i różnicować w całkiem prostych warunkach. Kluczem okazały się głębokomorskie wulkaniczne kominy hydrotermalne. Jak jakiś czas temu pisaliśmy, zdziwienie naukowców budził fakt, że w warunkach, jakie tam panują - ekstremalne temperatury, ciśnienie i przesycenie wody związkami chemicznymi - bujnie kwitnie tam życie. Dziś okazuje się, że to być może właśnie tam życie powstało. Hydrotermalne ujścia, zwane kominami znaleźć można na głębokim oceanicznym dnie, tam, gdzie rozstępują się płyty tektoniczne, powodując wysoką aktywność wulkaniczną. Z dna wydobywa się lawa, wrząca woda (powyżej 350°C), przesycona związkami chemicznymi: amoniakiem, metanem, czy siarczkami metali, które odkładają się, tworząc podwodne struktury. Dziś można powiedzieć, że obecność życia w takich warunkach nie tylko nie powinna dziwić, ale powinna być oczywista. Być może stąd pochodzimy. W takich warunkach występują porowate skały bogate w magnez. Magnezowe skały reagują z wodą, tworząc ciepło, które powoduje konwekcję - unoszenie się cieplejszej wody i opadanie chłodniejszej - w tych właśnie mikroskopijnych skalnych porach. Ponieważ ściana takiego miniaturowego naczynia znajdująca się bliżej gorącego komina jest cieplejsza od przeciwległej, woda może krążyć „w kółko", tworząc naturalne urządzenie mieszające. W takim naczyniu mogłyby gromadzić się nukleotydy, nici DNA i polimeraza, których ciągłe mieszanie sprzyjałoby zagęszczaniu i powielaniu się. Ten model obala jedną z największych wątpliwości, mówiącą, że w zagęszczenie tych elementów w pierwotnym oceanie nie mogło być wystarczająco wysokie, żeby pozwolić na ich skuteczne oddziaływanie. Jak to działa? Proces wygląda tak: unoszące się podwójne DNA jest „rozrywane" na pojedyncze nici przez podwyższoną temperaturę. Po chłodniejszej stronie polimeraza powoduje doklejanie swobodnych nukleotydów do pojedynczej nici DNA, w miarę opadania zwiększa się ich koncentracja, co sprzyja szybszej odbudowie podwójnej helisy, która za chwilę może być znów uniesiona po gorącej stronie. W ten sposób stopniowo zwiększa się zagęszczenie fragmentów DNA, powstają coraz to nowe kopie. Model wyjaśnia też, jak może dochodzić do rekombinacji, czyli mieszania nici DNA, powodując powstawanie nowych wariantów. Wystarczy, że „produkty" naturalnego replikatora zawędrują do sąsiednich, gdzie podobny proces wykształcił odmienne nici DNA. Taka wędrówka może się odbywać zapewne na wiele sposobów, ale uczeni proponują konkretny środek transportu: kwasy tłuszczowe. W zeszłym roku naukowcy z Harvardu odkryli, że w warunkach cieplnej konwekcji - które przecież właśnie panują w interesującym nas miejscu - kwasy tłuszczowe tworzą błony. Błony takie zaś stanowią doskonałą pułapkę na unoszące się w wodzie nici DNA, mogą je zagęszczać i przenosić w inne miejsca. Nie jest to już tylko model teoretyczny, bowiem zespół monachijskiego uniwersytetu odtworzył wspomniane warunki w laboratorium. Niewielkie rurki, długie zaledwie na półtora milimetra, napełniono materiałem: niciami DNA, polimerazą i nukleotydami. Podgrzewano je z jednej strony przy pomocy lasera, aby wywołać konwekcyjne mieszanie zawartości. Bingo, okazało się, że rzeczywiście w takich warunkach DNA się powiela. W doświadczeniu nowa kopia pojawiała się co 50 sekund. Ewolucja miała miliardy lat i miliardy takich naczynek. W ten sposób dołożono nową cegiełkę do obrazu „jak powstało Życie na Ziemi". Może nieprędko ten obraz będzie kompletny, ale kiedyś to nastąpi.

My, ludzie, możemy mieć więcej wspólnego z bakterią Escherichia coli, niż nam się wydaje. Amerykańscy naukowcy z Berkeley zademonstrowali bowiem, że replikacja DNA jest uruchamiana w ten sam sposób, bez względu na to, czy badanym organizmem jest bakteria właściwa, archeowiec czy tzw. jądrowiec (archeowce są organizmami jednokomórkowymi; kiedyś uważano, że są starsze od bakterii, ale okazało się, iż ewoluowały one równolegle; jądrowce, nazywane inaczej eukariontami, to organizmy wielokomórkowe). Badacze zidentyfikowali tę samą działającą strukturę zarówno w próbkach eukariotycznych (pochodzących od muszki owocowej), jak i bakteryjnych (pobranych od E. coli). Opisali ją jako spiralną strukturę, należącą do większej rodziny białek AAA+. Wcześniejsze badania wykazały obecność białek AAA+ w replikacji archeowców. Naukowcy wysnuli więc wniosek, że takie rozwiązanie powstało w toku ewolucji bardzo dawno temu, zanim jeszcze powstały trzy równoległe domeny: 1) bakterie (Bacteria), 2) archeowce (Archea) oraz 3) jądrowce (Eucarya). Eva Nogales, biofizyk biorąca udział w eksperymentach z muszkami owocowymi, podkreśla, że zdolność komórki do wiernego replikowania DNA w określonym czasie jest niezbędna dla przeżycia. Pomimo dziesięcioleci badania, strukturalne i molekularne podstawy inicjacji kopiowania DNA oraz stopień ewolucyjnego "zakonserwowania" tych mechanizmów były źle definiowane i gorąco nad nimi debatowano. Biochemik i biolog strukturalny James Berger był zaangażowany w oba badania. Jego zespół odkrył, że gdy białko DnaA zwiąże się z ATP (adenozynotrójfosforanem), wymusza to na białkach AAA+ zmianę kształtu (z pierścieniowego na prawoskrętną spiralę). Helisa DNA okręca się wokół spirali i ulega deformacji. W ten sposób rozpoczyna się proces rozdzielania DNA na dwie oddzielne nici. W badaniu muszek owocowych naukowcy odkryli ten sam mechanizm. Mimo że od pewnego czasu było wiadomo, że u eukariontów białka ORC (ang. origin recognition complex) inicjują replikację, niewiele umiano powiedzieć o budowie samego inicjatora. Obecnie, dzięki wykorzystaniu mikroskopu elektronowego, zaobserwowano, że po połączeniu z ATP kompleks białek ORC tworzy helisę, bardzo podobną do tej odkrytej w studium E. coli. Mimo że nie zaobserwowano okręcania się DNA wokół ORC, podobieństwa w budowie, które można bez trudu zauważyć, sugerują duże podobieństwa mechaniczne tych dwóch procesów. Specjalizacja w zakresie replikacji DNA zaszła wiele lat temu — konkluduje Nogales. Przez miliony lat do zasadniczego mechanizmu ewolucja dodała tylko ozdobniki. Wyniki obu badań zostaną opublikowane w sierpniu w Nature Structural and Molecular Biology.