DNA może powielać się bez udziału życia

[KopalniaWiedzy.pl 357]

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.

[pasqdnik 0]

Tytuł artykułu jest zdecydowanie za bardzo rozdmuchany i częściowo mija się z prawdą. Wszystko było by super gdyby nie jeden drobny szczegół, ale bardzo istotny dla powodzenia całego eksperymentu. Do replikacja DNA stosowana jest polimeraza, a skąd ona miała by się wziąć bez udziału życia? Polimeraza jest skomplikowanym, wyspecjalizowanym białkiem, które nie ma możliwości pojawienia się bez udziału struktur, mechanizmów i metabolizmu komórkowego a co za tym idzie opisana tutaj sytuacja nie jest możliwa bez udziału życia i metabolizmu. Różnica między normalną replikacją DNA w komórce jest jedynie taka, że tam metabolizm jest istotny w momencie replikacji a tuta w czasie samej replikacji nie jest konieczny ale niezbędny jest wcześniej.

Nawiasem mówiąc to doświadczenie i ta teoria nie jest niczym nowym, każdego dnia to samo doświadczenie jest wykonywane w laboratoriach na całym świecie wiele razy, nie przesadzę wcale jeśli powiem, że setki tysięcy albo nawet miliony razy dziennie. Różnica jest taka, że nie dzieje się to w takich rurkach jak tutaj opisano ale w probówkach Eppendorfa umieszczonych w termocyklerze. Całość nazywa się PCR czyli Łańcuchowa Reakcja Polimerazy i jest chyba najczęściej stosowaną techniką laboratoryjną we wszelkiego rodzaju dziedzinach biologii, biotechnologii, medycyny i wszystkiego co może w jakiś sposób pracować na DNA. Opis przebiegu tego ćwiczenia nie bez powodu przypomina opis działania PCR, on po prostu jest identyczny z małym wyjątkiem: w tym doświadczeniu DNA i polimeraza przepływają z miejsca o jakiejś temperaturze do miejsca o innej temperaturze, zaś w PCR nie muszą przepływać bo to temperatura jest zmieniana :-)

[p53 0]

wlasnie, wlasnie PCR  8)

 

moze w badaniach nad poczatkami zycia nalezaloby pojsc w inna strone, np. katalityczne DNA, czyli deoksyrybozymy albo PNA, czyli kwas peptydonukleinowy

[MrVocabulary (WhizzKid) 56]

Ja czytałem, że znaleźli gdzieś replikujące się RNA, częściowo splecione, i że tak się doszukują początków DNA. To, plus błony powstające z łańcucha cząsteczek meteorów (nie pamiętam, co to były za cząsteczki, ale łączyły się tworząc pierścienie) to pierwowzór pierwszej komórki.

 

Teorii osobnych jest dużo, ale jakby bez wzajemnej świadomości istnienia... A to, o czym piszę, leciało co najmniej 4 razy na Discovery w ciągu ostatnich 3 lat...

[Jurgi 1]

każdego dnia to samo doświadczenie jest wykonywane w laboratoriach na całym świecie wiele razy, nie przesadzę wcale jeśli powiem, że setki tysięcy albo nawet miliony razy dziennie. Różnica jest taka, że nie dzieje się to w takich rurkach jak tutaj opisano ale w probówkach Eppendorfa umieszczonych w termocyklerze.

 

Ale dotąd chyba nie znaleziono probówek Eppendorfa w naturze, prawda? Klu nowości to odkrycie takiego naturalnego procesu.

 

Do replikacja DNA stosowana jest polimeraza, a skąd ona miała by się wziąć bez udziału życia? Polimeraza jest skomplikowanym, wyspecjalizowanym białkiem, które nie ma możliwości pojawienia się bez udziału struktur, mechanizmów i metabolizmu komórkowego

 

Czemu dogmatycznie zakładasz, że nie ma możliwości?

Ja jestem przekonany, że pewnego dnia albo ktoś odkryje czysto chemiczny proces jej powstawania, albo też okaże się – podobnie jak w podlinkowanym artykule o znalezionym zastępniku ATP – że zamiast polimerazy może analogicznie działać jakiś jej prostszy odpowiednik.

[pasqdnik 0]

Istnieje od pewnego czasu teoria "świata RNA". Mówi ona mniej więcej coś takiego, że pierwszym materiałem genetycznym było RNA a nie DNA, zamiast białek natomiast były rybozymy czyli posiadające katalityczne właściwości cząstki RNA. Rybozymy występują i dzisiaj więc jest to prawdopodobne. Takie RNA mogło by samo katalizować własną replikację. W teorii świata RNA zbędne jest pytanie o to czy pierwsze były białka czy DNA. Białka zastąpiły rybozymy gdyż ze względu na to, że aminokwasów jest znacznie więcej niż zasad budujących RNA, oraz ze względu na ogromną różnorodność reszt aminokwasów białka mają większe możliwości lepszego przystosowania się do pełnionej funkcji. Choćby przez przybranie bardziej korzystne konformacji przestrzennej i mogą dzięki temu działać wydajniej od rybozymów. DNA natomiast zastąpiło RNA w przechowywaniu informacji genetycznej ponieważ jest bardziej stabilne chemicznie a zatem mniej podatne na uszkodzenia. Z czasem RNA zaczęło coraz bardziej ustępować cząsteczkom lepie dostosowanym do pełnienia niektórych funkcji czyli DNA i białkom.

Trzeba jednak zauważyć, że RNA w dalszym ciągu pełni kluczową rolę w komórkach:

- aby możliwa była synteza białek informacja genetyczna musi ulec transkrypcji z DNA na RNA

- ważnym składnikiem rybosomu ("składającego" białko na podstawie informacji genetycznej) jest RNA, nawiasem mówiąc informacja z jakiej korzystają rybosomy również jest zapisana na RNA, konkretnie na mRNA

- aminokwasy do budowy białka są transportowane do rybosomu za pomocą RNA, konkretnie tRNA

- wiele niezwykle istotnych dla komórki substancji ma ma w swoim składzie fragmenty RNA a nie DNA, np. ATP to adenozyno-trójfosforan a nie deoksyadenozyno-trójfosforan, podobnie GTP, ważna cząsteczka sygnałowa, to guanozyno-trójfosforan a nie deoksyguanozyno-trójfosforan, inna bardzo ważna cząsteczka sygnałowa cAMP czyli cykliczny adenozyno-monofosforan również ma więcej wspólnego z RNA niż z DNA

- przy splicingu czyli składaniu informacji genetycznej u organizmów eukariotycznych, polegającej na wycinaniu intronów i łączeniu egzonów, biorą udział snRNA (małe jądrowe RNA)

można by wymieniać tego dużo więcej, okazuje się, że niemal we wszystkich tych najbardziej kluczowych procesach w komórce bierze udział RNA lub jakiś związek od RNA pochodzący.

Preprowadzono doświadczenia w których udało się doprowadzić do powstania z prostych związków organicznych zasad budujących RNA, udało się także doprowadzić do wytworzenia się z tych zasad cząsteczek RNA. Udowodniło to, że RNA mogło powstać samoistnie w tak zwanej "pierwotnej zupie" na młodej planecie Ziemia.

[Jurgi 1]

Dzięki za wyczerpujące uzupełnienie tematu.

Dla mnie biologia skończyła się na szkole podstawowej, a to są fascynujące zagadnienia.