|
Chcesz wiedzieć więcej? Zamów dobrą książkę. Propozycje Racjonalisty: | | |
|
|
|
|
Nauka » Biologia » Powstanie życia
Pierwsze błony komórkowe [2] Autor tekstu: Marcin Klapczyński
Złapanie życia w ryzy
Powyżej wspomniana
publikacja, moim
zdaniem, jest równie wartościowa i sensacyjna jak pierwsze eksperymenty
Stanleya-Millera (opisywany w pierwszym artykule). Naukowcy elegancko
udowodnili, że
formujące się pęcherzyki mogą zamykać w swoim wnętrzu gotowe RNA
oraz
fragmenty montmorylonitu, na których wciąż tworzą się nowe cząsteczki
kwasu
rybonukleinowego. Twory takie na dodatek mają zdolność do
biernego,
podstawowego transportu [7] — zaobserwowano z czasem przenikanie
barwnika
do wnętrz tych swoistych „pre-komórek". P.
Monnard, współpracujący z D.Deamerem,
wykazał, że pęcherzyki formowane z kwasu i alkoholu dodekanowego mogą
uwięzić
mieszaninę cząsteczek DNA o długości około 600 par zasad (par
nukleotydów)
[2, 3]. Spójrz na poniższy rycina.
Rycina 6. Uwięzione DNA w pęcherzykach zbudowanych z kwasu i alkoholu
dodekanowego. Pęcherzyki z DNA w panelu (A) są czarne, pod wpływem
światła UV emitują intensywnie zielone światło. [3]
RNA uwięzione w takim
pęcherzyku miało większą
szansę na stworzenie funkcjonalnego systemu biochemicznego, niż
pływając
swobodnie w roztworze. Zwiększa się w tym wypadku możliwość
wspólnych
interakcji i nabycia nowych funkcji. Zwiększa się stopień
uporządkowania
całego układu. Co więcej, aktywowane nukleotydy mogły dyfundować w obydwie
strony poprzez błonę, dostarczając budulca do nowych łańcuchów RNA.
Inną drogą
nukleotydów do wnętrza pre-komórki były naturalnie występujące,
krótkotrwale
tworzące się przerwy w dwuwarstwie. Zagadnienie transportu stanowi
poważny
problem, ograniczając możliwości pierwszych systemów metabolicznych.
Zakładamy raczej, że energia
chemiczna
była głównym źródłem zasilania w świecie prebiotycznym. A co z fotosyntezą? Czy
ostatnie doniesienia o jej śladach 3,7 miliarda lat temu nie dają do
myślenia?
Aby wykorzystać energię słoneczną, fotony muszą być najpierw
zaabsorbowane przez
substancje pigmentowe i przekształcone w niestabilne formy
energii
chemicznej. Oczywiście systemy porównywalne do dzisiejszych komórek
były
jeszcze nieobecne, ale istniały wspomniane wcześniej związki z grupy
PAH, które
mogły zostać inkorporowane w zamknięte struktury dwuwarstwowe.
Dotychczas
pojawiło się kilka sygnałów o właściwościach PAH jako pigmentu [3].
Badania
trwają.
Dzisiejszy, wydajny,
nawet bierny
(zgodnie z gradientem stężenia przenoszonej substancji) transport
oparty jest
na białkach przenośnikowych. (Rycina 7). Świat komórkowy
dysponuje
również fascynującym i wyrafinowanym systemem transportu aktywnego
(wbrew
gradientowi stężęń — Rycina 8) na wiele sposobów regulowanym.
Rycina 7. Rodzaje transportu biernego współczesnych błon. Transport
zachodzi zawsze zgodnie z gradientem stężeń przenoszonej cząsteczki -
jeśli substancji jest więcej na zewnątrz, będzie ona transportowana do
wnętrza, aby wyrównać stężenia.
Rycina 8. Podstawowe rodzaje transportu aktywnego współczesnych błon.
Transport zachodzi niezależnie od gradientu stężeń przenoszonych
cząsteczek, ale wymaga dostarczenia energii. Innymi formami transportu
aktywnego są również tutaj nie opisywane endo- i egzocytoza.
Możemy spodziewać się więc,
że wysoka
efektywność przenoszenia rozpoczęła się dopiero po pojawieniu się
pierwszych
białek, które mogły być „złapane" w błonie. Nie zaobserwowano RNA
tworzącego
twory transbłonowe. Jak to się stało — jest dla nas na razie
nierozwiązaną
zagadką, ale trzymajmy kciuki za biologów symulujących powstanie
życia...
Czas na dzieci. Czas na lepszą ewolucję
Wreszcie dotarliśmy do
kwestii przekazania
materiału genetycznego. Wrócimy tutaj do wcześniej wspominanego
artykułu trójki
naukowców. Postawili oni następującą tezę: prymitywne rozmnażanie
najprawdopodobniej
polegało na prostym podziale pęcherzyka razem z materiałem
zawartym w środku. Jeśli wewnątrz pęcherzyka wykształci się pewien jednolity
system,
podzielenie go na pół da nam dwa pęcherzyki z systemami zdolnymi do
niezależnych zmian i niezależnej ewolucji. Jednak aby utrzymać ten
podział
takie pra-komórki powinny rosnąć. Okazało się, że pęcherzyki rosną
pod wpływem zwiększania się
ilości
miceli w roztworze. Czyli najpierw powstają micele, które
przekształcają się w nowe dwuwarstwowe
pęcherzyki, po czym po pewnym wysyceniu ogranicza się powstawanie
nowych
pęcherzyków a zwiększająca się wciąż ilość miceli. Cześć składników
miceli — w na razie szczegółowo nie poznany sposób — łączy się z pęcherzykami
zwiększając ich objętość. Proces ten dotyczy 90% puli pęcherzyków w roztworze [7].
Jak zachodzi podział? Otóż
bynajmniej nie
poprzez reakcje biochemiczne. Naukowcy przepuścili podrośnięte
pęcherzyki przez
porowaty materiał (o porach rozmiarów 100 nm) i okazało się, że podzieliły
się ona na pół z bardzo małą stratą zawartego materiału. Następnie,
aby
potwierdzić produktywność tego systemu, przeplatali cykle wzrostu
(dodając
micele) oraz podziału (przepychając przez wspomnianą „gąbkę"). Całe
doświadczenie dowiodło, że wzrost pęcherzyków jest możliwy dzięki
naturalnemu
wzrostowi stężenia miceli, zaś podział może zaistnieć dzięki
prostym
procesom fizykochemicznym [7].
P. Monnard i D. Deamer
poszli o krok dalej — zaproponowali minimalny model komórki oparty na katalitycznym i strukturalnym
RNA zobrazowany na Rysunku 9.
Rycina 9. Minimalny model komórki oparty na katalitycznym i strukturalnym RNA. Opis w tekście. [9]
Mimo iż teoria fragmentów
RNA o właściwościach polimerazy RNA (produkowania kopii RNA; zob.
poprzednie
artykuły) jest niekompletna, to jest całkiem prawdopodobna i rozwijana
[8].
Naukowcy twierdzą, że niezbędne byłyby trzy systemy [3]. Jeden
zawierałby gen
polimerazy, na podstawie którego polimeraza produkowałaby swoje
bliźniacze kopie. Enzym ten produkowałby również na podstawie innego
genu acylotransferazę, która
aktywnie
brałaby udział we wzroście błony komórkowej. Wreszcie
namnażałby
cząsteczki RNA odpowiedzialne za "pączkowanie". Model nie ma na
razie
poparcia doświadczalnego.
Jakimkolwiek
torem podążał rozwój komórek — dzisiejsze efekty są imponujące. I pomyśleć, że
około czterech, może i więcej miliardów lat temu wystarczyła iskierka.
Resztę
„roboty" wykonała ewolucja.
Ufam, że pomogłem Czytelnikom Racjonalisty nieco
przybliżyć obecny stan wiedzy o początkach życia na
Ziemi. Tutaj
na razie kończymy naszą wędrówkę, mimo że na horyzoncie widać wiele
terenów do
eksploracji. Może kiedyś zaproszę jeszcze na podobną eskapadę w nieporównywalnie bardziej skomplikowany i równie fascynujący świat
współczesnych komórek i pra-organizmów.
Dzisiejsza nauka potrafi
przyprawić nas o zachwyt i coraz częściej zawroty głowy. Cieszę się ogromnie, że
jestem
świadkiem tak rewolucyjnych odkryć jak zeszłoroczny sukces Hanczyca,
Fujikawy i Szostaka. Kilka tygodni temu koreańscy naukowcy, adaptując komórki
macierzyste
do hodowli, dokonali pierwszego zdecydowanego kroku w kierunku
inżynierii
tkankowej. Fizycy są coraz bliżej unifikacji, zwieńczenia ludzkiej
nauki.
Czekamy w napięciu na sygnały życia na Marsie. Mam nadzieję,
że udało
mi się chociaż trochę zarazić Czytelników moim entuzjazmem i zachęcić
ich do
własnych poszukiwań i rozmyślań nad początkami życia.
Literatura:
[1] Love, S.G. and Brownlee, D.E
(1993) „A direct measurement of the terrestrial mass accretion rate of
cosmic
dust". Science 262, 550-553.
[2] D. Deamer, J. P. Dworkin,
S.A.Sandford, M.P. Bernstein, and L.J. Allamandola, „The First Cell
Membranes",
Astrobiology, Volume 2, Number 4, 2002.
[3] P.A. Monnard, D.W.Deamer,
„Membrane Self-Assembly Processes: Steps Toward the First Cellular
Life", The
Anatomical Record, 268:196-207 (2002).
[4] Goltsov AN, Barsukow LI.,
„Synergetics of the membrane self-assembly: a micelle-to-besicle
transition", J
Biol Phys 2002; 26:27-41.
[5] Morchio R, Traverso s., „The
hydrophobic superficial layer: the primordial cradle of life?", Biology
Forum 1999, 92:105-117.
[6] Rosing MT, "13C-Depleted carbon
microparticles in >3700-Ma sea-floor sedimentary rocks from west Greenland", Science. 1999 Jan
29;283(5402):674-6.
[7] M.M Hanczyc, S.M. Fujikawa, J.W.
Szostak, „Experimental Models of Primitive Cellular Compartments:
Encapsulation, Growth, and Division", Science, 2003, Vol
302:618-622.
[8] Johnston
WK, Unrau PJ, Lawrence
MS, Glasner ME, Bartel DP,
„RNA-catalyzed
RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer
extension",
Science, 2001, 292:1319-1325.
Rysunki 2, 4, 5, 6 i 9 przerysowane, przetłumaczone i zamieszczone w artykule za zgodą
dra Davida Deamera.
1 2
« Powstanie życia (Publikacja: 03-03-2004 Ostatnia zmiana: 07-04-2004)
Marcin KlapczyńskiUkończył biologię molekularną na Uniwersytecie Adama Mickiewicza w Poznaniu. Pracował jako Research Specialist in Health Science w Department of Anatomy and Cell Biology na University of Illinois w Chicago. Obecnie pracuje jako Associate Cell Biologist / Histologist w Abbott Laboratories (Illinois). Specjalizuje się w ekspresji białek 'od zera', hodowlach linii komórkowych, symulacji in vitro procesów zachodzących w komórkach. Jego pasją jest teoria ewolucji, w szczególności ewolucja systemów biochemicznych i pochodzenie życia we Wszechświecie. Liczba tekstów na portalu: 22 Pokaż inne teksty autora Liczba tłumaczeń: 1 Pokaż tłumaczenia autora Najnowszy tekst autora: Wykonanie statywu Dobsona, złożenie i kolimacja teleskopu | Wszelkie prawa zastrzeżone. Prawa autorskie tego tekstu należą do autora i/lub serwisu Racjonalista.pl.
Żadna część tego tekstu nie może być przedrukowywana, reprodukowana ani wykorzystywana w jakiejkolwiek formie,
bez zgody właściciela praw autorskich. Wszelkie naruszenia praw autorskich podlegają sankcjom przewidzianym w
kodeksie karnym i ustawie o prawie autorskim i prawach pokrewnych.str. 3272 |
|