Swiat RNA

ŚWIAT RNA

Grzegorz Góralski
1.XI.2002

W niniejszym artykule poruszam problem powstania życia na Ziemi. Poruszam tutaj głównie hipoteze tzw. "Świata RNA". Chcę jednak zaznaczyć że hipoteza "Świata RNA" jest jedną z wielu istniejących choć niewątpliwie należy do tych które dzisiaj mają największe znaczenie.
Muszę na początku, aby uniknąć nieporozumień, podkreślić że nie wiemy jak życie powstało i być może nigdy tego na pewno nie bedziemy wiedzieć. Szukanie jednak możliwych dróg powstania i dalszej komplikacji życia jest jednak moim zdaniem fascynującym zadaniem i nawet jeśli jakaś hipoteza która ładnie wyjaśni nam jak mogło powstać życie na naszej planecie bedzie się mijała z rzeczywistością, być może bedzie prawdziwa dla innego życia, na innej planecie gdzieś tam w odległej galaktyce... ;-)

Generalnie powstanie i rozwój życia na Ziemi mozna przedstawić w trzech, głównych etapach:
1. Ewolucja chemiczna, w wyniku której z prostych zwiazków powstały skomplikowane cząsteczki organiczne.
2. Samoorganizacja powstałych związków organicznych w replikujące się struktury. Na tym etapie nastapilo przejscie z martwych kompleksow organicznych do pierwszych żyjacych organizmów.
3. Ewolucja biologiczna prowadząca w konsekwencji do dzisiejszego zróżnicowania życia.

Jednym z głównych zagadek dotyczących pochodzenia życia na Ziemi jest powstanie pierwszego replikatora. Pod tym pojęciem rozumiem strukturę zdolną do samopowielania się a także do ewolucji drogą mutacji (czyli błędów w kopiowaniu się) oraz doboru naturalnego. Dzisiaj takimi replikatorami są przede wszystkim żywe organizmy. Jednak nawet najprostsze komórki zdolne do autoreplikacji są na tyle skomplikowanymi tworami że ich przypadkowe powstanie od razu w zbliżonej do dzisiejszej formie jest zdecydowanie odrzucane przez większość badaczy.

W dzisiejszych komórkach rolę nośnika informacji genetycznej pełni DNA. Zawiera on zapis sekwencji RNA które jest tworzone na matrycy DNA dzięki zasadzie parowania się zasad azotowych, a następnie na podstawie nici mRNA tworzone są białka. Białka w każdym znanym organizmie pełnią bardzo różne role, zapewniające prawidłowe funkcjonowanie komórki.
Mają one tą interesującą właściwośc że dzięki praktycznie nieskończonej liczbie kombinacji występujących w nich 20-stu różnych aminokwasów, mogą przyjmować bardzo różną budowę i pełnić bardzo rózne funkcje. Dla naszych rozważań najistotniejsze jest to że mogą pełnić rolę enzymatyczną, czyli katalizować przebieg najróżniejszych reakcji spośród których niezwykle ważną jest replikacja DNA, dzięki czemu możliwe jest powielanie informacji genetycznej.

Tak więc białka powstają a podstawie DNA, a DNA powstaje dzięki białkom. W rozważaniach na temat początków życia na Ziemi nieuchronnie pojawia się pytanie: co powstało najpierw w ewolucji, DNA czy białka? Dylemat ten przypomina klasyczny problem kury i jajka. Wydawało się bowiem że białka nie mogą się "rozmnażac" bez DNA a DNA nie może być powielane bez białek, bowiem DNA nie wykazuje własności enzymatycznych (co jak się okazało później do końca nie jest prawdą) a z kolei nie bardzo wiadomo było jak białko mogłoby pełnić rolę nośnika informacji genetycznej.

Przy całym tym zamieszaniu łatwo nie docenić roli trzeciego rodzaju cząsteczek uczestniczącym w tym zamkniętym cyklu zycia, mianowicie RNA. Uwagę na RNA zwróciło przede wszystkim odkrycie że tego typu cząsteczki nie tylko mogą pełnić rolę nośnika informacji genetycznej, co było oczywiste, ale również ze wykazują oprócz tego właściwości enzymatyczne. To było to!
Wreszcie znaleziono cząsteczke która pozwalała wyjść spoza zaklętego kręgu DNA-białko-DNA-...

Pierwszy rybozym (tak bowiem nazwano cząsteczki RNA wykazujące aktywność enzymatyczną) odkrył w 1981 r. Thomas Cech i współpracownicy (co zostało zreszta uhonorowane nagrodą Nobla).
Co ciekawe, ten pierwszy znaleziony rybozym przeprowadzał operacje na samym sobie, mianowicie fragment RNA wycinał sam siebie z dłuższego fragmentu mRNA a następnie lączył wolne końce mRNA. Tak więc okazało się że RNA może pełnić rolę enzymu, ale czy może ewoluować?

Inna seria doswiadczeń, które przeprowadzano jeszcze przed odkryciami zespołu Cecha, mających istotne znaczenie dla naszego zrozumienia procesów które mogły dać początek życiu, byly doświadczenia nad tzw. "ewolucją w próbówce". Klasycznym przykładem tych doświadczeń są eksperymenty z użyciem Q� replikazy. Q� replikaza jest enzymem występującym w wirusie Q� infekującym bakterie E. coli i ma tą interesująca właściwość że doskonale nadaje się do kopiowania cząsteczek RNA in vitro (czyli "w probówce"), przy czym zależnie od sekwencji nukleotydów w cząsteczce RNA kopiuje ją łatwiej lub trudniej.

Jeśli więc umieścimy w próbówce Q� (Q beta) replikazę, cząsteczki RNA służące jako matryce do kopiowania, monomery budujące RNA (ADP, GTP, UTP oraz CTP) oraz zapewnimy odpowiednie środowisko w roztworze (pH, stężenie soli itd.) enzym zacznie kopiować łańcuchy RNA.
Kopiowanie to jednak nie jest idealne, mniej więcej 1/10 000 nukleotydów/replikację pojawia się błąd w kopiowaniu czyli po prostu mutacja. W praktyce doświadczenie wygląda w ten sposób że w próbówce umieszcza się wszystkie potrzebne składniki, po jakimś czasie pobiera się z niej kroplę i wpuszcza ją do następnej probówki zawiekrającej Q� replikazę oraz monomery, po pewnym czasie znów się pobiera kroplę itd...

Jak wspomniałem, jedne cząsteczki RNA są kopiowane bardziej wydajnie od innych, na co ma wplyw dlugość łańcucha oraz sekwencja nukleotydów. Mutacje mogą powodować zwiększenie wydajności kopiowania danej cząsteczki lub też spowodować że będzie ona replikowana gorzej. Dochodzi w tej sytuacji do swego rodzaju współzawodnictwa między cząsteczkami czyli doboru.
Tak więc mamy tu do czynienia z istnieniem podstawowych mechanizmów ewolucji czyli zmienności genetycznej, mutacji pozwalających na pojawianie się nowych sekwencji oraz doboru. Można się więc spodziewać iż w tym układzie zaobserwujemy ewolucję na poziomie cząsteczkowym.

Rzeczywiście, jeśli na początku do roztworu zawierającego Q� replikazę oraz monomery doda się jakis typ RNA, obserwuje sie w trakcie doświadczenia zwiększanie różnorodności cząsteczek a potem jej zmniejszanie i w końcu otrzymuje sie populacje cząsteczek RNA o bardzo zbliżonej budowie replikujących się z maksymalną w danych warunkach wydajnością (czyli cząsteczki najlepiej dostosowane do tych warunków). Co ciekawe, jeśli do roztworu w którym przebiega reakcja doda się jakiegoś związku który hamuje proces replikacji to replikacja na jakiś czas mocno zwalnia ale po jakimś czasie pojawiają się w roztworze cząsteczki RNA o takiej budowie, że się skutecznie replikują w zmienionych warunkach.
Tak więc w zależności od "niszy ekologicznej" do której dostosowuje sie RNA, ewolucja tych cząsteczek przebiega w różnych kierunkach. Podobne warunki zwykle prowadzą do wytworzenia podobnych produktów tej selekcji.
Co ciekawe, jako jeden z produktów tych doświadczeń otrzymano odcinek RNA który jest bardzo podobny do struktury znajdowanej w zainfekowanych E. coli. W warunkach naturalnych jest on jakby "superpasożytem" włączającym sie do genomu wirusa Q�. Tak więc in vitro, drogą ślepych mutacji i doboru otrzymaliśmy strukturę RNA wystepującąa w naturze, a przynajmniej bardzo do niej podobną.

Interesujące było również spostrzeżenie że w roztworze do którego nie dodano na początku żadnej cząsteczki RNA, po jakimś czasie również pojawiało się RNA i następnie ewoluowało. Wygląda więc na to że Q� replikaza może zsytetyzować RNA również bez udziału matrycy.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Ustanawianie swiat i dowody kosciola
Chodź pomaluj mój świat Dwa plus Jeden
Kościół Hillsong Świat ma się dobrze w kościele!
Gdzie ten świat
SWIAT NIE WIERZY LZOM
Swiat i zaswiaty [polish] Nieznany

więcej podobnych podstron